超宽带无线实时定位和追踪技术研究

逄坤

摘 要：和传统的技术相比起来，超宽带技术的传输速率更高，同时具有更高的时域分辨度，同时穿透性较强，优势非常明显。近年来其应用也开始为人们所重视，尤其是在于短距离传输、复杂环境下的数据传输上的优势更加明显，所以现在已经成为室内无线定位的重要实现途径。这项技术最早应用于上个世纪六十年代，其初期主要用于军事领域的监听，近年来才开始逐步推广为民用和商用。本文针对其定位和追踪技术的实现进行了简要分析，希望可以给相关工作的开展提供一些参考。

关键词：超宽带；无线网络；定位技术

GPS定位技术现在得到了很大程度的推广，可以说给人们的日常生活带来了很大的便利。但是这其实也面临着很多问题，例如卫星信号并不能随时覆盖，在室内、森林等环境下经常导航失灵，而室内环境复杂的情况下也会导致信号衰减，这些问题的存在都会造成定位上的误差。而超宽带（UWB）信号的穿透能力较强，时域分辨率上也存在明显的优势，所以这项技术用于定位的优势非常明显。UWB信号的绝对贷款超过500MHZ，其本质也是通过的莱昂占用带宽来实现的穿透能力的。

1 超宽带技术简介

超宽带技术简称UWB，其是一种新的频谱方式，在很多通信系统都可以得到应用，不仅成本低廉、功耗较低，同时也有着很强的抗干扰能力和穿透力，在无线通信空间的容量上也远远高于其他通信系统，但是其缺点也非常明显，不仅会占用很大的带宽，更会给其他无线电设备造成影响，所以现在对于UWB的应用，各国都提出了一些限制，但是现在国际上都已经提高了对这项技术的研究力度，例如很多笔记本电脑当中都已经具备了超宽带传输模块。

UWB定位精确度很高、具备很好的安全性，所以在未来，无线定位技术当中，UWB的应用也将越来越广泛。由于其具备低功耗和强抗干扰能力的特点，所以在军事方面的应用价值非常明显，与此同时，在医护和办公自动化以及未来的机器人追踪等领域，所以应用领域也会迅速扩展。

2 UWB定位技术

2.1 典型定位算法

现阶段所应用的无线定位算法可以分为两类，分别是以距离为基础和以定位为基础的算法，相比之下和距离无关的算法并不会对硬件有过高的要求，但是精度也受到了一定的限制，所以现阶段，基于距离的算法最为常用。

（1）角度定位和强度分析

到达角度定位简称为AOA、信号强度分析简称为RSS，AOA通过针对被檢测到的两个接收机信号进行检测，之后实现定位，这个过程需要天线系统的支持，并且一旦出现角度误差，就会直接给定位精度造成很大的影响。而RSS则是结合信号传输模型来对比接收信号和距离之间的关联，实现定位。但是这种算法对于信号传输模型的依赖性非常明显，如果环境条件出现了改变，也会直接影响定位，所以UWB的优势无从发挥。这样看来，无论是到达角度定位还是信号强度都不能很好地完成距离测定，只能进行粗定位，作为辅助手段来使用，如果想要实现精确定位，仍然需要精密测距。

（2）到达时间分析（TOA）

如果被侧点有三个以上的参考节点来进行测量，经由其到达各接收机所需的时间的不同来进行三角定位，算出距离，就可以直接测定出被测点的位置来。如果带宽为1GHz，那么其精度非常高，误差仅为数cm，但这需要时间定位上具备严格时间同步，这也是较为难以实现的。

（3）到达时间差定位（TDOA）

与TOA类似，一般文献不区别讨论，只是测量得到的是时间差而非绝对时间，利用双曲线交叉进行定位。应用此法只需参考节点之间保持同步，不要求参考节点与被测点之间严格的时间同步，使系统相对简化，所以在定位系统中应用最广。

（4）混合处理法（Hybrid）

综合运用RSS与TOA/TDOA方法，当被测点与参考节点间距离较近时，采用RSS辅助方法可以减小数据处理复杂度，大幅提升定位精度，适用于ZigBee等短距离定位场合。

2.2 精确测距与定位

UWB定位系统多采用极窄的高斯脉冲信号，脉冲宽度通常低于0.5ns，定位精度非常高。通常，UWB定位系统设定几个定位参考节点，接收数量众多的被测点发出的高斯脉冲信号，各被测点由PN码序列区分，处理接收到的脉冲序列可得到接收时间，即得到被测点与参考点之间的距离。

要定位一个三维坐标，至少需要4个参考点，建立4个方程进行直接计算，求解此四元二次方程组，可得被测点坐标。将各方程相减，则可消去未知参量to，同时减少一个有效方程，实现TDOA算法。测量误差及参考节点的位置对方程组有较大影响，可能出现无解或迭代溢出的情况。为了提高有解的概率，可设定5个参考点，根据不同组合得到5组解，从中选取最优解。也可选择4个接收信号功率最高的参考节点联立方程组。实验表明，5选4算法可将定位精度提高27%，若进一步增加参考基站，定位精度提高不明显，反而会使系统更复杂。因此，要获得更高的定位精度，不能只依靠增加参考基站。实际应用中，参考基站一般采用5选4算法为宜。

2.3 定位网络协议

定位节点（设备）可分为完整功能节点（FFD）和简化功能节点（RFD）。FFD能与多个RFD以及相邻的FFD进行会话，RFD定制非常简单，仅能与一个FFD会话。定位协议也可分为两类[5]：基于锚（anchor-based）的协议和无锚（anchor-free）协议。基于锚的协议假定网络中的一个节点集（参考节点或锚节点）在网络初始化时已知相对或绝对位置，需要外在的定位系统（一般使用GPS）提供每个锚节点的位置。GPS终端可测定锚节点的位置，并提供一个全球坐标系，与定位协议相关的信令流量较低，但存在稀疏锚节点问题和测距误差问题，GPS本身的定位精度有限，以致产生较大定位误差。

基于锚的TDOA定位模式主要有两种：a.由参考节点发射信号，被测节点负责接收并进行数据处理，这种方式与GPS定位类似，增加了被测节点的电池能耗，大大减少了使用寿命。b.由被测节点发射信号，各基站（参考节点）负责接收，传送到中心节点进行计算，得到被测点的精确坐标，适合节点小型化、简单化的要求，目前讨论最多且已投入运行。它又有两类网络结构：其一是被测点为RFD，参考节点为FFD，预先在定位现场选择适当的位置建设基站，并测定好坐标，基站可测量范围即网络工作区域，多数实验模型采用此模式。

3 结束语

经过前文总结，我们不难发现，超宽带技术在诸多无限定位技术当中的优势非常明显，可以用于无线定位需求的满足，在未来有着广阔的应用前景。除此之外，和常规的wlan技术相比起来，UWB也可以很好地将通信技术融合到定位当中，在短距离范围内，UWB技术也可以在定位领域实现更长远的发展。现在无限定位技术虽然已经得到了一定的探索，但其应用水平的不足仍然是不争的事实，这就需要我们进一步探索，来拓宽其应用领域。本文针对这些问题进行了简要分析，希望可以给相关工作的开展提供一些参考。

参考文献

[1]戴明宏，吕蒙.基于UWB实时定位铁路大型养路机械施工人员防碰撞技术研究[J].产业创新研究，2018（2）.

[2]于洋，侯娟.基于DWM1000的改进型超宽带无线通信室内定位系统设计[J].信息技术与信息化，2018（z1）.

[3]杨海，李威，张禾，等.复杂环境下基于SINS/UWB的容错组合定位技术研究[J].仪器仪表学报，2017（9）：2177-2185.

[4]冯高昂.UWB室内定位多标签防碰撞算法研究[D].海南大学，2017.