技術(shù)盛宴|淺談UWB室內(nèi)定位技術(shù)技術(shù)背景隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)處理能力的提高，基于位置的服務(wù)成為最有前途的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)之一。無(wú)論移動(dòng)在室內(nèi)還是室外環(huán)境下，快速準(zhǔn)確地獲得移動(dòng)終端的位置信息和提供位置服務(wù)的需求變得日益迫切。通信和定位兩大系統(tǒng)正在相互融合、相互促進(jìn)。利用無(wú)線通信和參數(shù)測(cè)量確定移動(dòng)終端位置，而定位信息又可以用來(lái)支持位置業(yè)務(wù)和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)管理，提高位置服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)性能。所以，在各種不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地獲取移動(dòng)位置信息的定位技術(shù)及其定位系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。無(wú)線定位技術(shù)領(lǐng)域可分為廣域定位和短距離無(wú)線定位，廣域定位可分為衛(wèi)星定位和移動(dòng)定位；短距離定位主要包括WLAN、RFID、UWB、藍(lán)牙、超聲波等。當(dāng)前應(yīng)用的主要無(wú)線定位技術(shù)與無(wú)線定位測(cè)量方法的關(guān)聯(lián)狀況如下圖：無(wú)線定位技術(shù)與定位測(cè)量方法關(guān)聯(lián)示意圖與室外環(huán)境相比，在室內(nèi)環(huán)境中感測(cè)位置信息并且需要非?？捎^的精度是極具挑戰(zhàn)性的，部分原因是各種物體反射和信號(hào)的分散導(dǎo)致。而UWB（UltraWideBand）是室內(nèi)定位領(lǐng)域的一項(xiàng)新興技術(shù)，與其他定位技術(shù)相比，它具有更好的性能，更高精度，更適用于室內(nèi)定位。UWB定位技術(shù)概述UWB超寬帶技術(shù)與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大的差異，它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過(guò)發(fā)送和接收具有納秒或納秒級(jí)以下的極窄脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz量級(jí)的帶寬。超寬帶室內(nèi)定位可用于各個(gè)領(lǐng)域的室內(nèi)精確定位和導(dǎo)航，包括人和大型物品，例如貴重物品倉(cāng)儲(chǔ)、礦井人員定位、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤、汽車(chē)地庫(kù)停車(chē)等。超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強(qiáng)、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點(diǎn)。因此，超寬帶技術(shù)可以應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動(dòng)物體以及人的定位跟蹤與導(dǎo)航，且能提供十分精確的定位精度。但是成本比較昂貴，網(wǎng)絡(luò)部署復(fù)雜。室內(nèi)環(huán)境中的常用無(wú)線定位測(cè)量方法無(wú)線定位測(cè)量方法是指分析接收到的無(wú)線電波信號(hào)的特征參數(shù)，然后根據(jù)特定算法計(jì)算被測(cè)對(duì)象的位置（二維/三維坐標(biāo)：

經(jīng)度，緯度，高度）。常用的室內(nèi)無(wú)線定位測(cè)量方法如下：基于AOA（AngleofArriva,到達(dá)角度定位）的定位算法基于TOA（TimeofArriva,到達(dá)時(shí)間定位）的定位算法基于TDOA（TimeDifferenceofArriva,到達(dá)時(shí)間差定位）的定位算法基于RSS（ReceivedSignalStrength,接收信號(hào)強(qiáng)度定位）的定位算法節(jié)點(diǎn)的位置。在基于RSS的算法中，無(wú)線信號(hào)傳輸過(guò)程中的多徑效應(yīng)和通過(guò)障礙時(shí)產(chǎn)生的陰影效應(yīng)是產(chǎn)生定位誤差的主要原因。在開(kāi)放空間里，若無(wú)障礙物的阻隔，可以得到較為精確的定位，而在很多環(huán)境下，因?yàn)榇嬖诟鞣N各樣的障礙物導(dǎo)致的多徑效應(yīng)，衰減，散射等等不確定因素，將大大影響其定位精度。另外，基于RSS的算法與其他算法相比也具有一些優(yōu)勢(shì)，在基于RSS的算法中，移動(dòng)標(biāo)簽僅用作接收器，因此依賴于來(lái)自多個(gè)發(fā)射器的接收信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)找到它們的位置。以這種方式，基于RSS的算法傾向于具有較少的通信流量，這有助于改善信道訪問(wèn)控制和定位準(zhǔn)確性。此外，較少的通信流量有助于克服對(duì)使用中的標(biāo)簽數(shù)量的限制。移動(dòng)標(biāo)簽只是接收器，數(shù)量沒(méi)有限制?；赗SS的算法可以分為兩種主要類(lèi)型：三邊測(cè)量和指紋識(shí)別。三邊測(cè)量算法使用RSS測(cè)量來(lái)估計(jì)到三個(gè)不同參考節(jié)點(diǎn)的距離，從而估計(jì)當(dāng)前位置。另一方面，指紋識(shí)別需要收集場(chǎng)景RSS指紋的數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集則用于將在線測(cè)量與數(shù)據(jù)集中最接近的指紋匹配用以估計(jì)位置?；旌隙ㄎ荒壳?，混合定位已成為新的無(wú)線定位主流?；旌隙ㄎ坏暮诵乃枷胍蕾囉诳煽康亩坛虦y(cè)量的使用，以提高無(wú)線系統(tǒng)的位置估計(jì)的準(zhǔn)確性。用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基本獨(dú)立的無(wú)線定位測(cè)量方法（RSS、TOA、TDOA、AOA等）的不同組合來(lái)增強(qiáng)位置估算的準(zhǔn)確性。UWB所采用的定位測(cè)量方法對(duì)于UWB定位而言，AOA不如其他算法實(shí)用。此外，AOA需要傳感器之間的大量合作，并且會(huì)受到誤差累積的影響。雖然AOA具有可接受的準(zhǔn)確度，但對(duì)于具有強(qiáng)散射的UWB信號(hào)而言其功能較弱。另一方面，RSS算法相對(duì)于其他算法沒(méi)有有效地利用UWB的高帶寬。RSS更適合使用窄帶信號(hào)的系統(tǒng)。而TOA算法在基于UWB的系統(tǒng)等寬帶系統(tǒng)中表現(xiàn)更好。使用RSS算法，在提高可實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確度的意義上，對(duì)大帶寬沒(méi)有積極影響。與提供高精度的時(shí)間方法相比，這使得RSS方法的使用效率降低。關(guān)于在二維空間中的定位，TDOA算法需要至少三個(gè)適當(dāng)定位的基站，而AOA算法僅需要兩個(gè)基站用于位置估計(jì)。就準(zhǔn)確性而言，當(dāng)目標(biāo)物體遠(yuǎn)離基站時(shí)，角度測(cè)量中的微小誤差將對(duì)準(zhǔn)確性產(chǎn)生負(fù)面影響。TDOA和AOA定位算法可以組合在一個(gè)算法中，它們可相互補(bǔ)充，這種算法具有實(shí)現(xiàn)高定位精度的優(yōu)點(diǎn)。由于UWB信號(hào)的高時(shí)間分辨率，TOA和TDOA相對(duì)于其他算法具有更高的準(zhǔn)確度。對(duì)目前UWB定位來(lái)說(shuō)最有效的解決方案是采用TOA與TDOA的混合定位算法，因?yàn)榻Y(jié)合了兩種算法的優(yōu)點(diǎn)。總結(jié)室內(nèi)定位技術(shù)眾多，各種技術(shù)都有自己的局限性，彼此間又在一定程度上存在互相競(jìng)爭(zhēng)。高精度室內(nèi)定位技術(shù)均需要比較昂貴的額外輔助設(shè)備或前期大量的人工處理，這些都大大制約了技術(shù)的推廣普及。低成本的定位技術(shù)則在定位精度上需要提高。在提供高精度定位的基礎(chǔ)上降低成本也是室內(nèi)定位的一個(gè)方向。未來(lái)的趨勢(shì)一定是多種技術(shù)融合使用，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，以面對(duì)復(fù)雜環(huán)境。其中成本越低、兼容性越好、精度越高的技術(shù)越容易普及。下圖是UWB與其他常用室內(nèi)定位技術(shù)之間的比較。常用室內(nèi)定位技術(shù)之間比較寫(xiě)在最后在工業(yè)4.0的物聯(lián)網(wǎng)體系中，關(guān)鍵位置定位信息，是工業(yè)信息智能化的重要組成部分，解決的是4.0時(shí)代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)供應(yīng)鏈組件、生產(chǎn)設(shè)備、調(diào)度車(chē)輛與操作人員精確定位的問(wèn)題，是對(duì)生產(chǎn)組織過(guò)程進(jìn)行智能分析、科學(xué)決策的前提條件。銳捷網(wǎng)絡(luò)人員資產(chǎn)定位管理方案通過(guò)融合感知級(jí)別的無(wú)源RFID應(yīng)用、米級(jí)定位的有源RFID應(yīng)用、亞米級(jí)定位的UWB超寬帶應(yīng)用和銳捷物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，提供一套軟硬件綜合應(yīng)用解決方案。可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位、人員資產(chǎn)分布、歷史軌