魏昕 馮鋒

摘要：衛(wèi)星定位技術(shù)（GPS）在日常生活中的普遍使用，使人們對(duì)室內(nèi)定位的要求提高了。超寬帶（UWB）是一種定位技術(shù)，穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的室內(nèi)定位，而且根據(jù)UWB不同的定位算法來得到精確的定位精度。本文結(jié)合UWB使用場(chǎng)景和最新應(yīng)用討論UWB發(fā)展面臨困難和研究熱點(diǎn)，任何一個(gè)場(chǎng)景的物聯(lián)網(wǎng)化解決方案都要基于物體的位置而實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：超寬帶;TOF;定位技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN925文獻(xiàn)標(biāo)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）22-0033-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，衛(wèi)星定位技術(shù)（CPS）在日常生活中的普遍使用，現(xiàn)在已經(jīng)不滿足于室外定位，在室內(nèi)或有遮擋物的情況下，GPS因其特點(diǎn)而無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的室內(nèi)定位服務(wù)。在現(xiàn)有的無線定位技術(shù)中，UWB技術(shù)在測(cè)距過程中載波信號(hào)具有高傳輸率、低功耗、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)且定位精度能夠精確到厘米級(jí)別，使得UWB相對(duì)于Wi-Fi、藍(lán)牙、RFID等無線射頻定位有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此選取UWB作為室內(nèi)定位的通信信號(hào)[1]。

1 UWB

超寬帶（UWB）技術(shù)是一種無線載波通信技術(shù)，它在超寬的帶寬上傳輸信號(hào)，產(chǎn)生極短脈沖的信號(hào)源來傳輸數(shù)據(jù)，所以頻譜范圍在3.5Ghz至4.5GHz的范圍內(nèi)才符合UWB信號(hào)，UWB實(shí)質(zhì)上是很高的射頻頻率來達(dá)到高帶寬的無線技術(shù)，對(duì)上升時(shí)間和下降時(shí)間都很短暫的脈沖進(jìn)行調(diào)制。

2 UWB定位原理

目前，UWB定位一般采用基于距離的定位算法[2]。主要的算法是TOF測(cè)距、TDOA測(cè)距、AOA測(cè)距三種定位算法。

2.1 TOF定位算法

TOF（飛行時(shí)間）定位算法的核心為：在收到數(shù)據(jù)后開始測(cè)量收發(fā)設(shè)備間的信號(hào)傳播時(shí)間，再用信號(hào)的傳播速度和時(shí)間相乘，就可以得到兩個(gè)設(shè)備之間的距離。保證TOF準(zhǔn)確性的要點(diǎn)是精確計(jì)算信號(hào)的飛行時(shí)間，用單邊雙向測(cè)距可以得到設(shè)備間距離。單邊雙向過程如圖1所示。

在計(jì)算設(shè)備A和B之間的距離時(shí)，只要算出飛行時(shí)間乘以光速即可，記錄下A的發(fā)送時(shí)間和B的接收時(shí)間，在等待Treply后，記錄下B的發(fā)送時(shí)間和接收時(shí)間，可根據(jù)公式算出信號(hào)的飛行時(shí)間。

2.2 TDOA定位算法

TDOA（到達(dá)時(shí)間差）定位算法的核心是：發(fā)送設(shè)備發(fā)出兩種信號(hào)，比如射頻信號(hào)和超聲波信號(hào)，接收信號(hào)時(shí)分別記錄不同信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，并計(jì)算出TDOA的值，再通過乘以信號(hào)傳播速度獲得節(jié)點(diǎn)之間的距離。到達(dá)時(shí)間差△t可表示為：

公式（4）中，c1，c2為兩種信號(hào)的傳播速度，d為收發(fā)設(shè)備之間的距離?？梢郧蟮茫?/p>

TDOA定位的精度很高，缺點(diǎn)是在非視距環(huán)境的影響及所用信號(hào)傳播距離有限的情況下，測(cè)距精度會(huì)有很大的降低，同時(shí)該定位技術(shù)對(duì)設(shè)備的位置和功率也有特定的要求[3]。

2.3 AOA定位算法

AOA（基于到達(dá)角度）的定位算法是通過計(jì)算發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間的角度或者相對(duì)方位來估算兩個(gè)設(shè)備之間的距離[4]。

AOA定位技術(shù)有兩種：一是波束成形技術(shù)，是根據(jù)接收天線的角度變化，利用的是方向性天線的方向圖，先對(duì)接收信號(hào)相位進(jìn)行反轉(zhuǎn)，再用波束成形技術(shù)得到此信號(hào)強(qiáng)度最高的方向，就是發(fā)送信號(hào)的方向。二是相位相干檢測(cè)法，是根據(jù)接收天線的相位變化，用陣列天線或者很多接收機(jī)來算出每個(gè)天線接收信號(hào)的相位差，然后估算信號(hào)發(fā)送時(shí)的方向。

AOA定位大多數(shù)情況下需要利用陣列天線或者多個(gè)信號(hào)接收器來計(jì)算收發(fā)設(shè)備之間的角度信息。AOA定位除了提供距離信息還可以提供收發(fā)設(shè)備間的相對(duì)方位?；驹砣鐖D2所示。

3 應(yīng)用

UWB定位技術(shù)適用于特定的場(chǎng)景，如成本高、受到干擾情況多或定位區(qū)域面積大的問題則要考慮其他技術(shù)，所以采用UWB定位技術(shù)的關(guān)鍵是了解定位需求中的高精度性，考慮是否需要這么高的精度，且使用環(huán)境適合。

3.1 工廠人員定位

工廠定位分為人員定位和工廠物品定位。人員定位的內(nèi)容是到崗時(shí)間，在崗情況，工作效率，定位需求對(duì)精度要求不大，在工廠內(nèi)即可，但在現(xiàn)實(shí)情況下，參考人員在工作崗位的時(shí)間，判斷工作效率是否達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，UWB在這方面優(yōu)于其他定位技術(shù)。類似于通過位置情況來判斷人員是否工作，都可以用UWB來實(shí)現(xiàn)工作效率的提升。還有對(duì)工廠的危險(xiǎn)區(qū)，如變電站，化學(xué)物品，易燃易爆物等位置，對(duì)進(jìn)人人員要進(jìn)行嚴(yán)格要求，UWB的電子圍欄功能十分適用，在無許可人員進(jìn)入后進(jìn)行警示。尤其是核電廠，對(duì)電子圍欄按時(shí)間粒度、空間粒度劃分，設(shè)置警報(bào)的不同臨界值，其他的考勤、簽到功能作為輔助手段使用。

3.2 隧道人員定位

隧道定位就是對(duì)施工人員位置的精確定位，隧道施工會(huì)發(fā)生塌方的現(xiàn)象，不確定工人的位置搜救十分困難，用UWB定位技術(shù)來實(shí)施救援方案則可減少塌方后工人的死亡率，定位的精度決定了搜救的困難程度，現(xiàn)在地鐵的普及帶來的施工問題同步增加，安排UWB技術(shù)的定位方案，只要出現(xiàn)意外情況，能最快的進(jìn)行搜救，而且隧道位置寬廣，安裝的基站少，是很適用的部署場(chǎng)景。

3.3 倉儲(chǔ)物流定位

倉儲(chǔ)定位則是對(duì)叉車的定位，叉車操控在倉庫復(fù)雜的環(huán)境中具有一定的危險(xiǎn)性，倉庫中物品的堆放容易造成視線遮擋，在轉(zhuǎn)彎等位置易發(fā)生傷人、貨物倒塌等事故，從安全生產(chǎn)的角度看，能通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來避免事故發(fā)生，是切實(shí)可行且有必要的，其他的定位模式不能滿足定位精度上的要求。

3.4 機(jī)場(chǎng)管理定位

在機(jī)場(chǎng)中，UWB定位技術(shù)可以通過移動(dòng)端給登機(jī)人員提供機(jī)場(chǎng)路線，旅客可以快捷地找到候機(jī)區(qū)、登機(jī)口、行李存取處等，避免貽誤航班。對(duì)機(jī)場(chǎng)管理方面，通過對(duì)UWB定位分析不同位置的旅客人員密集情況，能夠讓排隊(duì)井然有序，減少旅客流量，減少機(jī)場(chǎng)擁堵的情況，還可以對(duì)登機(jī)口變化和起飛延后的情況發(fā)送通知，以及向候機(jī)旅客發(fā)送促銷宣傳活動(dòng)信息等。在檢查行李過程中，如果發(fā)現(xiàn)有可疑物品且無法確定，在物體上貼上UWB標(biāo)簽，對(duì)物品跟蹤進(jìn)行，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)物品進(jìn)入禁止區(qū)域，立刻發(fā)出警報(bào)信息。

4 結(jié)束語

2019年9月，iPhonell加入了UWB技術(shù)，除了定位跟蹤之外，把自己iPhone指向其他人時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)距離優(yōu)先排序，讓你更快速地空投文件，從而實(shí)現(xiàn)了iPhone能檢測(cè)到其他物品在現(xiàn)實(shí)空間中的位置，這是在其他智能手機(jī)現(xiàn)在無法達(dá)到的。蘋果公司在之后會(huì)出更多的周邊設(shè)備如手表、耳機(jī)等植入U(xiǎn)WB芯片，UWB技術(shù)植入手機(jī)，讓很多UWB從業(yè)者看到空間感知技術(shù)快速發(fā)展的希望，UWB的產(chǎn)業(yè)鏈一會(huì)更加豐富和延伸。

UWB定位的市場(chǎng)范圍廣，適用場(chǎng)景多樣化，許多危險(xiǎn)作業(yè)行業(yè)開始高度重視，室內(nèi)定位現(xiàn)在在逐漸商業(yè)化，由芯片廠家和位置服務(wù)提供商對(duì)UWB的大力發(fā)展和推動(dòng)，在五年后UWB技術(shù)將會(huì)愈加普遍，行業(yè)將會(huì)在廠商和國家的需求下迎來更好的發(fā)展。

UWB在未來市場(chǎng)，無論是智慧校園、電子門禁、智能家具、自動(dòng)駕駛、物品防丟、智慧安防還是AR/ VR，針對(duì)一個(gè)環(huán)境的物聯(lián)網(wǎng)化解決方法都要基于物品的位置實(shí)現(xiàn)，UWB還有許多未探索的領(lǐng)域，基于UWB的高精度定位和不同行業(yè)的結(jié)合正在快速發(fā)展，這也是位置服務(wù)的真正價(jià)值所在。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁亞男，張旭，徐露.基于UWB的室內(nèi)定位技術(shù)綜述[Jl.智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2019 （05）：91-94.

[2]孫利民，李建中，陳渝.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

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[4]劉浩杰，改進(jìn)的超寬帶室內(nèi)定位算法研究[D].西安：長安大學(xué)，2017.

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[6]高思琪，孫建平.UWB定位技術(shù)的應(yīng)用研究[J].儀器儀表用戶，2019，26（3）：77-82.

【通聯(lián)編輯：聞翔軍】

基金項(xiàng)目：寧夏重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2018BFG02003）

作者簡介：魏昕（1996-），男，陜西延安人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)工程與應(yīng)用;馮鋒（1971-），男，寧夏銀川人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)工程、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用。