基于超寬帶的室內定位關鍵技術及應用研究

譚俊英 TAN Jun-ying；陳柏賢 CHEN Bo-xian；郭焰輝 GUO Yan-hui

（華南農業大學珠江學院信息工程學院，廣州 510000）

1 超寬帶室內定位原理及相關算法

1.1 超寬帶室內定位原理

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術是頻率帶寬為1GHz 以上的一種無線載波通信技術，超寬帶技術的頻譜范圍很寬，可通過納秒級非正弦波窄脈沖傳輸數據。因超寬帶技術利用頻譜極寬的優點對超寬基帶脈沖進行通信，故又稱為基帶通信技術或無線載波通信技術。

超寬帶技術有以下特點：

1.1.1 數據傳輸速率高

在人們日常使用的民用商品中，會要求超寬帶的信號傳輸范圍在10m 以內，而由香農公式（1）我們可以計算出民用商品的數據傳輸速率可以達到500Mbit/s。

其中，C 為信道容量（網速），B 為信道帶寬（占用頻率范圍），S 為信號功率，N 為噪聲功率，S/N 為信噪比。可通過此公式實現從百Mbit/s 到數Gbit/s，具有極高的數據傳輸速率。超寬帶技術是實現個人通信和無線局域網的一種理想調制技術，超寬帶技術以超寬頻率的帶寬來換取高速的數據傳輸，不單獨占用已經擁擠不堪的頻率資源，而是采用共享其他無線技術使用的頻帶。

1.1.2 抗多徑干擾能力強

在受到如墻壁、窗戶等障礙物時，信號在傳播過程中會因反射或折射等情況產生多徑效應，從而限制其數據的傳輸速率，降低信號通信的質量。使用超寬帶技術通信時，可以在一定程度上降低多徑效應。因為超寬帶信號是一種間斷性發送、持續時間短、占空比低的脈沖信號，所以在多徑下和時間上是不重復的。因此超寬帶信號可以較為容易地將多徑分量分離，從而減少不同分量間的相互干擾。超寬帶技術采用的沖擊脈沖調制和跳時碼調制技術，為定位提供了更高的抗干擾能力。

1.1.3 定位精度高

超寬帶是一種基于IEEE.15.4a/z 標準的無線電技術，可以非常精準地測量無線電信號的飛行時間，實現厘米級精度的位置測量。目前超寬帶定位技術的定位精度已成為業界內精度最高的商用無線定位系統。在我們的日常生活中，經常會使用到定位系統，如常用的GPS 定位（全球定位系統）。但GPS 定位主要應用于室外，且民用精度為10m。而超寬帶定位技術的精度通常能達到10-20cm，并且超寬帶無需提供地理位置，只需要通過超寬帶無線電定位器就可以給出相對位置。除此之外，基站的覆蓋范圍在50-70m，覆蓋范圍相對GPS 較小，因此適用于室內定位。

1.1.4 對信道衰落不敏感

信道是信號傳輸的通道，是信息傳遞的通道。無線電信號在經過信道的時候會有從各個途徑而來的衰落，接收信號的總功率會出現路徑損失、陰影衰落和多徑效應這三種表現方式。帶寬越大，對信道衰落的波動越小。但是因為超寬帶具有很寬的帶寬，所以它的功率和頻率都不會受到太大的波動。正是由于超寬帶技術對信號衰落不敏感的優點，所以當人們工作在深入地下的隧道、大壩等地方施工時，仍然可以保持穩定的信號。

1.1.5 穿透能力強、截獲率低

超寬帶定位信號有著極強的穿透能力，可以在室內復雜環境和地下環境中進行精確定位。不同的物體對不同的頻率的阻擋和吸收是不同的，超寬帶信號能穿透樹葉、鋼筋、水泥、泥土等介質，因此軍事上超寬帶雷達可用來探測地雷，民用上可用于查找地下金屬管道、災后廢墟掩埋人員搜救等。在軍事應用中，超寬帶技術可以利用巨大的擴頻增益來實現遠距離、低截獲率、低檢測率、高安全性和高速的數據傳輸。

1.2 定位測距算法設計與仿真

1.2.1 三點定位算法及仿真

三點定位算法是以所占的位置為圓心，測量的距離為半徑，分別在三個位置以此半徑畫三個圓，三個圓相交為一點，這個交叉點就是需要定位的目標標簽位置。因此，在測量過程中，至少需要用到三個基站，以測其半徑來畫圓。三點定位算法的優點是定位原理簡單易懂，計算方式簡潔明了。但缺點是，在測量的過程中，對介質中產生的相對誤差較為敏感。并且在實際測量中，可能會出現三個圓相交不在同一個點或者三個圓不相交的情況，如圖1 所示為三點定位算法測距原理。

圖1 三點定位算法測距原理

理想狀態下，以三個基站作為定位基礎，對三點定位算法進行MATLAB 仿真時，先定義一個1×1m 的定位“圍欄”，即標簽定位范圍，標簽定位范圍圖如圖2 所示。

圖2 標簽定位范圍圖

在此區域內，設置三個基站的坐標分別為（3,40）、（32,8）、（50,25），然后通過這三個基站的坐標點為圓心、測量距離為半徑分別畫圓。在這三個圓中，會兩兩相交于一點，這個相交的點，即為被測量定位標簽所處的位置信息，三點定位算法仿真示意圖如圖3 所示。

圖3 三點定位算法仿真示意圖

1.2.2 TOF 飛行時間測距算法及仿真

飛行時間測距算法（Time of Flight，TOF），通過測量超寬帶信號發出后，在標簽與基站之間傳播的時間差，可以得到標簽與基站之間的距離。超寬帶定位基站給超寬帶定位標簽發送信號，記錄下基站發送信號的時間，在標簽接收到基站發送的信號后，給基站返回一個應答信號，當基站收到標簽發送的應答信號時，記錄當前的時間。通過測量脈沖信號從出發到返回的時間，乘以光速v，得到往返一次的距離，再除以2，即為定位標簽到定位基站間的距離，并可通過記錄多次通信時間的計算來提高精度。TOF飛行時間測距算法的優點是體積小、實現起來簡單。缺點是發送和接收設備的時鐘同步，并且受到接收設備提供信號的傳輸時間的長短約束，TOF 飛行時間測距算法原理示意圖如圖4 所示。

圖4 TOF 飛行時間測距算法原理示意圖

通過往返時間的時間差，可以得出：

d 為距離，c 為光速，t 為測量得到的飛行時間。TOF 飛行時間測距算法的實現過程主要是先建立UWB 基站，設置好測量范圍，然后被測標簽會通過基站基于飛行時間進行測距。得到一定的數據后，計算相應的位置信息，再通過計算出來的結果與之前設置好的測量距離值進行比較。

在理想的狀態下，通過編寫兩個函數TOF_LLOP 和TOF_CHAN 得到位置的估計，然后用均方根誤差實現兩種算法的性能比較，從而得到兩種算法的均方根誤差的曲線對比圖。橫坐標為噪聲方差，縱坐標為均方根誤差，如圖5 為TOF 均方根誤差圖。

圖5 TOF 均方根誤差圖

1.2.3 TWR 雙向測距算法及仿真

TWR 雙向測距算法（Two-Way Ranging,TWR）包括兩個節點：設備A 和設備B，默認設備A 是測距的發起者，設備B 是響應者。TWR 是通過UWB 基站和UWB 標簽之間進行多次通信，從而實現定位。假設有兩個設備，設備A和設備B，設備A（Device A）主動發送（TX）數據，同時記錄發送時間戳，設備B（Device B）接收到之后記錄接收時間戳，延時Treply之后，設備B 發送數據，同時記錄發送時間戳。設備A 接收數據，同時記錄接收時間戳。因此可以拿到兩個時間差數據，設備A 的時間差Tround和設備B 的時間差Treply，最終得到無線信號的飛行時間Tprop如下：

TWR 雙向測距算法的優點是對同步要求低，并且通過多次發送和接收定位基站的信號，極大地縮短了終端的待機時間。缺點是耗電相對較大，如圖6 所示為TWR 雙向測距算法測距原理示意圖。

圖6 TWR 雙向測距算法原理示意圖

通過編寫兩個函數TWR_CHAN 和TWR_Taylor 得到基站位置的估計。用均方根誤差實現兩種算法的性能比較，得到兩種算法的均方根誤差曲線對比圖，橫坐標為噪聲方差，縱坐標為均方根誤差。假定設置參考節點數目為10 個，隨機的分布在一個10×10m 的區域范圍內，并將參考節點數轉化為測距方差，參考節點數目圖如圖7 所示。

圖7 參考節點數目圖

2 超寬帶室內定位技術的應用

2.1 車輛訪問控制

超寬帶定位技術因其具有精度、可靠性、安全性高等優點，在車輛訪問控制中為遙控無鑰匙進入（RKE）技術提供了更多的便利性。隨著科技的發展，汽車鑰匙也在不斷地變革，數字鑰匙的存在形式，使人們在使用過程中可以更便捷地解鎖和啟動汽車。被動式無鑰匙進入系統（PKE）和被動式無鑰匙啟動系統（PEPS）如今已經進入市場，并且已經從豪華車領域擴展到所有新車的預期功能。智能設備集成進入技術取代了傳統鑰匙，駕駛員無需拿起相關設備，就可直接使用自己的智能手機進行解鎖和啟動車輛。車輛控制系統是一個安全密鑰，可以對指定的車輛進行訪問授權。只要準確地定位了授權的智能手機，該系統就能解鎖車輛和啟動引擎，實現遙控無鑰匙進入。早在2016年，大陸集團就和蘋果、寶馬以及NXP 合作基于UWB 技術的蘋果手機數字鑰匙。大陸集團車聯網及信息工程技術中心也在2020年和媒體代表就超寬帶技術和超寬帶智能設備集成進入系統（CoSmA）的應用與發展展開了交流和討論，將超寬帶技術融入智能進入系統。在2019年，海拉就成功將傳統遙控鑰匙中的超寬帶技術投入量產。2019年發布的iPhone 11、2020年發布的Apple Watch Series 6以及之后的系列機型均配備蘋果自研U1 超寬帶芯片，以及谷歌、三星、小米、OPPO 等公司推出的新款手機，都采用微芯片或其他形式實現了車輛訪問控制這一功能。

超寬帶技術既有測距，又有通信功能，只有在一定范圍內才能接受響應。車輛訪問控制采用的是TOF 飛行時間測距算法，根據其信號往返的時間差進行定位。接收端需要帶有UWB 芯片的手機或手環等通信設備，車上需安裝UWB 發射天線。當車輛處于休眠狀態時，車上的UWB天線處于廣播信號模式，每隔幾毫秒到幾秒發射一次信號，帶有數字鑰匙功能的接收設備接近車輛時，會接收到車上UWB 天線所發出的廣播信號。由于該廣播信號中包含唯一ID 設備信息，接收設備與UWB 天線進行安全密鑰確認。確認密鑰后，鑰匙定位開始啟動，車輛根據車上每個天線接收到的信號時間差，定位手機或手環位置。如確認進入到設定值范圍內后，才會進行車輛鑰匙解鎖，完成無鑰匙進入操作。廣播信號模式示意圖如圖8 所示。

圖8 遙控無鑰匙進入（RKE）示意圖

2.2 社交隔離

社交隔離，即物理距離，是指人與人之間相隔的一定長度。眾所周知，傳染性疾病可通過飛沫傳播。因此，為防止被傳染，除了要戴口罩之外，還應與人保持一定的距離，降低被感染的風險。但是這個“距離”，我們也只能通過卷尺或借助其他的測量工具進行較為準確的位置測量，而一般我們都是通過感覺、大概知道距離。并且當我們身處于熟悉的環境中時，自身感覺是放松的，從而會疏于保持距離。因此，我們可應用超寬帶技術進行距離的測量。超寬帶定位基站靈活部署，可移動到指定區域。被測量標簽可將專門定制的超寬帶定位設備佩戴在身上，設定一個“報警值”，當距離小于預設值時，設備會發出報警信號提醒佩戴者要保持安全距離。

超寬帶功能可以監測附近多個被測標簽的位置，并實時記錄多個標簽在接觸時所持續的時長。此外，因超寬帶定位技術的安全性極高，無需登記，后臺只需要查詢管理員記錄，便可以識別穿戴人員，因此佩戴者可以放心地使用，確保了自己的隱私。目前，警尚物聯、恩智浦等公司在超寬帶室內定位技術領域都開拓了自己的市場，自主研發超寬帶定位技術方案和設備。如今疫情已不再成為人們出行的阻礙，已實現社會生活的正常化，迎來了光明。隨著國家的不斷壯大，科技的不斷發展，超寬帶室內定位技術在未來各種場合的“社交隔離”方面的應用必將更上一層樓。社交隔離圖如圖9 所示。

圖9 社交隔離圖

2.3 無人商店訪問

隨著生活節奏的加快，人們的消費體驗感降低，無人商店訪問已成為新零售的重要發展趨勢之一。自2016年國際電商巨頭亞馬遜高調推出無人零售店Amazon Go 準備問世以來，無人便利店便像雨后春筍般涌現。2017年6月初，中國一家叫“繽果盒子”（BingoBox）無人收銀便利店首次走出廣東，在上海落戶，并在全國開設了8 家無人店。同年7 月，《商業觀察家》在杭州造物節上實地探訪阿里巴巴推出的“淘咖啡”無人零售店，正式面世。其實對于無人超市、無人商店的概念并不新穎，真正吸引我們的是圍繞商店的銷售以及行業之間的競爭，而是逐漸展現為技術與生態的較量。隨著媒體、資本和技術的涌入，無人商店正成為下一個爆炸性的新型業態。

傳統商店存在設備老套、耗費人工和時間、商品難以查找等問題。在此背景下，本文提出了基于超寬帶室內定位技術下的無人商店訪問。通過超寬帶技術，將使用位置進行針對性的營銷，在商店貨架上查找商品會比傳統商店更容易。超寬帶技術安全性和可靠性高，它會先在確認身份并授權的情況下在商店進行選擇和購買商品。付款時提供安全的支付環境，并加快結賬流程，節省時間。甚至可以擴展到以汽車作為支付方式，在加油站和停車場等場所提供更快、更優質的服務。通過對商品的精準定位，可以快速、高效地找到我們需要的商品，提供方便快捷的服務。并且零售商可以通過超寬帶定位技術的實時數據采集功能，基于采集到的大數據分析有多少顧客進入商店和購買的商品，識別人消費者的購物行為趨勢。經過分析，可以更好地調整消費方案和商品種類的進貨量等。

無人商店訪問在使用超寬帶室內定位技術時，首先要在商店內安裝一定數量的UWB 定位基站，并且在每樣商品中設置一個定位標簽，且生成一個二維碼方便顧客掃碼查找商品。通過掃碼查找商品，我們可以將想要購買的商品加入購物車，線上進行購買結算。另外，也可以通過掃描二維碼獲知各個商品所在的貨架的位置，精準來到商品區購買，無人商店掃碼查找商品示意圖如圖10 所示。

圖10 無人商店掃碼查找商品示意圖

3 小結

本論文在基于室內定位的基礎上，對超寬帶室內定位技術進行了研究。通過三點定位算法、TOF 飛行時間測距算法和TWR 雙向測距算法實現了該項技術的定位功能。并且將該項定位技術在車輛訪問控制、社區隔離和無人商店訪問這三個應用領域上進行分析。隨著新的行業應用的不斷發掘，成本價格的不斷下降，未來超寬帶定位技術的研究重點將集中在解決由脈沖穿透性不好而影響精度的問題。