浅析UWB定位技术的应用

张鲁川 董磊

摘 要：长期以来卫星定位系统在定位领域应用最为广泛，比如说GPS定位系统主要是为船舶，汽车，飞机等运动物体进行定位导航。但卫星定位系统也有不足之处。在于定位信号到达地面较弱，不能穿透建筑物。超宽带系统具有发射功率低、抗多径、安全系数高、传输速率高、穿透能力强等特点。正是这些特点，超宽带技术被广泛应用于物体以及人的定位跟踪与导航。

关键词：UWB超宽带无线电脉冲；信号强度分析（RSS）和到达角度定位法（AOA）；到达时间定位法（TOA）；到达时间差定位法（TDOA）

1 什么是UWB技术

提到UWB技术，非专业人士知道者甚少，不像WLAN、BLUETOOTH技术那样众所周知。其实UWB技术早在上世纪90年代就已经被提出。UWB是一种在雷达遥感中被广泛应用的传输技术，也是一种无载波的超宽带通信技术，也可称为脉冲无线电。

2 UWB技术的特性

与蓝牙、WLAN、TDMA、CDMA等带宽相对较窄的传统无线系统不同，UWB可以在宽频上发送一组极窄的低功率脉冲。由于UWB频谱宽、数据脉冲化、低功率，使得UWB的干扰小于传统窄带宽的无线解决方案。UWB具有以下特点。

2.1 发射功率低

超宽带无线电信号的射频带宽可达1GHz以上，在近距离的应用中，UWB的发射功率低于1mW。这使得UWB系统与同频段的窄带通信系统保持良好的共存性。在发射时，将微弱的无线电脉冲信号分布在宽阔的频带之中，输出功率甚至远低于普通设备产生的噪声，系统有较大的处理增益。接收时将信号的能量还原，在解扩过程中产生扩频增益。

2.2 多径分辨能力强

多径传播效应是限制数据传输速率与通信质量的重要原因之，多径衰落是无线通信的一大障碍一。由于UWB采用的是持续时间非常短的窄脉冲，其时间和空间分辨能力较强，因此系统的多径分辨率很高，因此能充分利用发射信号的能量。大量实验表明，在常规无线电信号多径衰落深达10-30dB的多径环境，UWB信号的衰落最多不到5dB，传统的无线技术非常容易受到建筑物内部和周围多径的干扰，UWB信号由于对信道多径衰落不明显，具有优良的抗多径性能。

2.3 保密性能好

UWB的保密性能表现在两方面。一方面是采用跳时扩频，接收机只能在已知发送端的扩频码时才能够解出发射的数据；另一方面是系统发射功率谱密度非常低，传统接收机根本无法接收。

2.4 高处理增益

超宽带无线电系统的处理增益是由UWB脉冲的占空比与发送各个比特所用的脉冲数决定的，因此能得到比实际扩谱系统高很多的处理增益。

2.5 便于系统集成

UWB技术很容易将通信和定位集成在一起，是因为UWB脉冲占空比特别低，有非常好的定位精度。信号的距离分辨力与信号的带宽成正比。UWB信号脉冲宽度在纳秒级，其对应的距离分辨能力可高达厘米级。

3 UWB定位技术的应用

3.1 系统组成

一个基本的UWB的实时定位系统有一台交换机、若干个接收器、至少一个参考标签和若干个用于跟踪人员或设备的定位标签。

3.2 技术原理

UWB定位系统使用短脉冲超宽频技术可以精确定位一个超宽频射频标签。其原理每个UWB系统的定位标签反复发出脉冲数据包，这个数据包是由一串超宽频脉冲组成。由于这些标签不是同时发送，并且每个标签发送的时间极短，所以每个数据包发生碰撞的可能性很小，所以在同一个区域可以同时处理几百甚至几千个定位标签。

UWB实时定位系统的接收器接收定位标签发送出来的脉冲数据包。接收器通常部署在定位区域的边缘。三个接收器或以上可以精确进行二维定位，四个接收器或以上可以进行三维定位。如果只有一个接收器，可以用来做靠近测试。

每一个UWB定位系统的接收器使用高度敏感、高速度、短脉冲的监听来测量每个脉冲数据包到达其天线的精确时间。超宽频脉冲极宽的带宽使得这些接收器测量脉冲数据包到达的时间可以精确到纳秒级。UWB系统的中心交换机根据参考标签的坐标、脉冲数据包到达各个接收器的时间差和一个多路径算法，精确的确定一个定位标签的位置，精度可高达10cm。

3.3 无线定位技术方式

常用的无线定位方式有以下几种：信号传播时间的测量方法、基于接收信号强度的测量方法、基于信号到达角度的测量方法和混合定位法。

3.3.1到达时间定位（TOA）和到达时间差定位（TDOA）方法。基于信号传播时间的定位方法分为基于信号到达时间（Time Of Arrive，简称TOA）和信号达到时间差（Time Difference Of Arrive，简称TDOA）两种定位方法。

被测点发射信号发送到4个及4个以上的参数接收机，通过测量信号到达各个接收机所需时间，得到发射点与接收点之间的距离，然后以接收机的节点为圆心，所得距离为半径作圆，这些圆的交点即为目的节点的位置。但到达时间定位要求参考节点与被测点应严格保持时间的同步，否则会使定位精度受到非常大的影响，大多数情况下应用场合无法满足这一点。

与TOA不同的是，只是测量得到的是时间差而非绝对时间，TDOA技术只需要接收机时间同步，不要求参考节点与被测点之间的严格的时间同步。TDOA技术只是通过测量发射信号到达不同接收机的时间差来进行定位。一个TDOA测量值对应的是以两个参考节点为焦点的一对双曲线。

3.3.2 信号强度分析法（RSS）和到达角度定位（AOA）。RSS定位方式就是根据某一参考信号在空间中的衰落程度，计算出距离的。RSS定位方式通过测量接收信号的场强和已知信道衰落模型与发生信号场强来估计彼此之间的距离。AOA通过直接测量两个接收机的信号到达角度进行定位，需要配置复杂的天线系统。

所以，信号强度分析和到达角度定位的方法一般不单独用于UWB测距，只当做辅助手段進行初级定位，UWB能够实现精确的定位主要还是依靠精密测距完成。

3.3.3 混合定位方法。混合定位利用前面提到的方法，利用其各自的优点和特点，进行两种或多种组合进行定位。

3.4 定位协议

测距和定位技术为设计无线网络，对移动节点重新定位的算法和相关协议提供了基本框架。定位节点可分为完整节点与简化功能节点。完整节点和多个简化功能节点，以及相邻的FFD进行通信，仅能与一个FFD通信即可非常简单的完成RFD的定制。定位协议可分为两类：基于锚的协议和无锚协议。

4 UWB定位技术前景

UWB定位技术具有抗干扰性强、功率低、保密性好、精度高等优势，想必在未来的应用中会越来越多。现在国内很多厂家也都已经有比较成熟的产品。在我国，UWB技术也才起步不久，相信未来会有更多的人和企业开始接触和探索UWB技术，带来更多新颖、具有创造性的产品。

参考文献

[1]Maria-Gabriella Di Benedetto Giancola著，葛利嘉，等，译.超宽带无线电基础[M].北京：电子工业出版社，2005.

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[3]王波.“浅谈UWB定位技术”[J].中国新技术新产品，2011，23.

[4]曾文，王宏，徐皑东.超宽带技术的信道模型和定位技术研究与分析[J].计算机科学，2007.