UWB定位技術(shù)原理介紹

　　UWB定位算法：

　　目前無線定位技術(shù)是指，即定位算法目前最常用的用來判定移動用戶位置的測量方法和計(jì)算方法主要有：時差定位技術(shù)、信號到達(dá)角度測量（ AON）技術(shù)、到達(dá)時間定位（TOA）和到達(dá)時間差定位（TDON）等。其中，TDO1技術(shù)是目前最為流行的一種方案，除了用于CSM 系統(tǒng)，在其他諸如AMPS 和CDMA 系統(tǒng)中也廣泛應(yīng)用，UJWB 定位采用的也是這種技術(shù)。目前UWB 定位系統(tǒng)也可以提供3D 定位功能，此定位系統(tǒng)采用TDOA 和NOA 兩種定位算法，已達(dá)到3D） 定位的效果

　　系統(tǒng)構(gòu)成：

　　接下來以UJWB 精確定位系統(tǒng)為例介紹：

　　Ubisense UJWB 精確定位系統(tǒng)包含三個組成部分： 傳感器sensor、有源定位標(biāo)簽tag 和定位平臺iTocateTRM，在該系統(tǒng)中，定位標(biāo)簽tag利用uwb 脈沖信號發(fā)射出位置信息給傳感器sensor，傳感器接受到信號后采用TDOA 和OA 定位算法對標(biāo)簽位置進(jìn)行分析，最終通過有線以太網(wǎng)傳輸?shù)絠Tocate 服務(wù)器。iTocateT-MJWB 定位單元可以實(shí)現(xiàn)無縫蜂窩連接，將定位空間無限擴(kuò)展，定位標(biāo)簽可以在各個單元自由行走，通過定位平臺軟件分析，將定位目標(biāo)真實(shí)地以虛擬動態(tài)三維效果顯示出來。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境中穩(wěn)定達(dá)到15cm 的3D 定位精度。

　　uwb定位技術(shù)的優(yōu)劣勢

　　優(yōu)勢：

　?。?）傳輸速率高

　　理論上，一個寬度趨于0的脈沖具有無限的帶寬，因此，UWB即使把發(fā)送信號功率譜密度控制得很低，仍可實(shí)現(xiàn)高達(dá)100Mbit／s-500Mbit／s的傳輸速率。在民用方面，UWB脈沖寬度一般為納秒級。如果一個脈沖代表一個數(shù)位，那么，理論上UWB可達(dá)1 Gbit／s的速率，這樣在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)100Mbit／s以上的速率是完全可能的。

　?。?）范圍覆蓋廣

　　UWB屬于中短距離范圍內(nèi)的通訊技術(shù)，非常適合構(gòu)建室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時定位系統(tǒng)。根據(jù)最近的發(fā)展，目前的單個傳感器定位單元的覆蓋面積達(dá)到400平方米，傳感器網(wǎng)絡(luò)的信號發(fā)射節(jié)點(diǎn)跟信號接收節(jié)點(diǎn)之間的最大距離達(dá)到60米?？梢詫?shí)現(xiàn)多個定位單元（CelD）聯(lián)合工作，按需擴(kuò)大覆蓋面積。

　?。?）實(shí)時性好

　　相對于其他定位技術(shù)，UWB定位一個很大的優(yōu)勢就是它具有較好的實(shí)時性。下面的表格給出了目前無線定位領(lǐng)域各種定位技術(shù)的實(shí)時響應(yīng)頻率。

　?。?）穿透力強(qiáng)

　　uwb信號具有非常強(qiáng)的穿透力。uwb信號能穿透樹葉、土地、混凝土、水體等介質(zhì)，因此軍事上uwb雷達(dá)可用來探測地雷，民用上可以查找地下金屬管道探測高速公路地基等。

　?。?）傳輸能力強(qiáng)

　　民用商品中，一般要求UWB3信號的傳輸范圍為10m以內(nèi)，再根據(jù)經(jīng)過修改的信道容量公式，其傳輸速率可達(dá)500Mhit/s，是實(shí)現(xiàn)個人通信和無線局域網(wǎng)的一種理想調(diào)制技術(shù)，uwb以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數(shù)據(jù)傳輸，并且不單獨(dú)占用現(xiàn)在已經(jīng)擁擠不堪的頻率資源，而是共享其他無線技術(shù)使用的頻帶，在軍事應(yīng)用中，可以利用巨大的擴(kuò)頻增益來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離低截獲率、低檢測率、高安全性和高速的數(shù)據(jù)傳

　　（6）發(fā)射功率小

　　uwb系統(tǒng)使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時間很短，一般在0.20ms~l.5ns之間，有很低的占空因數(shù)，系統(tǒng)耗電可以做到很低，在高速通信時系統(tǒng)的耗電量僅為幾百uW~幾十mW.民用的uwb設(shè)備功率一般是傳統(tǒng)移動電話所需功率的1/100左右，是藍(lán)牙設(shè)備所需功率的1/20左右軍用的uwb電臺耗電也很低因此，uwb設(shè)備在電池壽命和電磁輻射上，相對于傳統(tǒng)無線設(shè)備有著很大的優(yōu)越性。

　　劣勢：

　　UWB通信也存在不足，主要問題是UWB系統(tǒng)占用的帶寬很高，UWB系統(tǒng)可能會干擾現(xiàn)有其他無線通信系統(tǒng)，因此。UWB系統(tǒng)的頻率許可問題一直在爭論之中；另外，還有學(xué)者認(rèn)為，盡管UWB系統(tǒng)發(fā)射的平均功率很低，但是，由于其脈沖持續(xù)時間很短，瞬時功率峰值可能會很大，這甚至?xí)绊懙矫窈降仍S多系統(tǒng)的正常工作。盡管如此，學(xué)術(shù)界的種種爭論并不影響UWB的開發(fā)和應(yīng)用。

　　uwb定位技術(shù)的應(yīng)用場景

　　1、工業(yè)倉庫

　　在工廠中，UWB定位系統(tǒng)可以幫助傳統(tǒng)工廠實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理，可實(shí)時查看員工位置、在崗時間、離崗時間、移動軌跡，提高崗位巡查效率。通過后臺對倉儲貨物位置的監(jiān)管，可查看物品位置、所屬倉庫等數(shù)據(jù)，防止物資設(shè)備的丟失。

　　2、養(yǎng)老院

　　在養(yǎng)老院，通過給老人佩戴智能手環(huán)或胸牌，不僅能夠?qū)崟r查看老人位置，還能夠通過設(shè)置電子圍欄來圈定安全活動范圍，一旦老人走出安全區(qū)域，系統(tǒng)就會及時預(yù)警，通知管理人員前往查看，避免老人走失。

　　因?yàn)樽o(hù)工人員不可能24小時陪在每一個老人身邊，難免會有疏漏，所以可以將一鍵報警功能集成在手環(huán)或胸牌之中，一旦老人遇到危急情況，按下按鈕就能夠通知護(hù)工人員及時予以救助，避免危及老人生命健康安全。

　　3、司法監(jiān)獄

　　監(jiān)獄安全管理一直是備受關(guān)注的問題，通過UWB定位技術(shù)如何杜絕監(jiān)獄犯人管理漏洞、降低監(jiān)管執(zhí)法風(fēng)險呢？

　　在監(jiān)獄，通過UWB定位系統(tǒng)，將定位標(biāo)簽集成至犯人定位腕帶中，能夠?qū)Ψ谭溉诉M(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。包括：實(shí)時掌握人員的實(shí)時位置、人數(shù)清點(diǎn)、犯人腕帶防拆報警、電子圍欄、聚眾分析、行動軌跡跟蹤、回放、攝像聯(lián)動警報等，能夠很大程度的降低監(jiān)管執(zhí)法的風(fēng)險，防止意外事故的發(fā)生。

　　4、展廳

　　在會展、展廳內(nèi)，UWB定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)智能化導(dǎo)覽服務(wù)，一方面可以實(shí)時導(dǎo)引觀眾前往想去的展位，另外也可以對觀眾的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)，查看參展客戶及工作人員在展廳內(nèi)的觀覽軌跡、停留時間等，實(shí)現(xiàn)辦展效果精準(zhǔn)分析。讓展方了解參展人員感興趣產(chǎn)品，為后期提升展會質(zhì)量工作提供明確方向。

　　5、隧道

　　在隧道施工現(xiàn)場，通過部署UWB定位系統(tǒng)，將定位標(biāo)簽集成至員工胸卡、安全帽等穿戴設(shè)備內(nèi)，可以提供的集風(fēng)險管控、人員管理、實(shí)時顯示、應(yīng)急救援等功能能夠準(zhǔn)確定位工人位置，保障工人施工安全、施工質(zhì)量、施工進(jìn)度。

　　6、機(jī)場

　　在機(jī)場內(nèi)，UWB定位系統(tǒng)可以通過移動設(shè)備給旅客提供導(dǎo)航路徑，旅客可輕松找到候機(jī)區(qū)域、登機(jī)口、行李領(lǐng)取處等等，避免錯過航班。

　　對于機(jī)場管理方面：通過UWB定位分析不同區(qū)域旅客人員密度信息，能夠加快測量排隊(duì)進(jìn)度，精簡乘客流量、減少整個機(jī)場擁堵的發(fā)生。另外，可以針對登機(jī)口變更和起飛延遲情況發(fā)送實(shí)時通知，以及向附近乘客發(fā)送促銷宣傳信息等。

　　如果機(jī)場方在檢查行李時，無法確定物品可疑性，可以在物品上貼上定位標(biāo)簽，利用室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行跟蹤，只要系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)該物品進(jìn)入了不該進(jìn)入的區(qū)域，立刻報警。

　　uwb定位系統(tǒng)前景展望

　　前面分析可知uwb定位系統(tǒng)無論在定位精度、傳輸能力穿透力實(shí)時性等方面與其他的無線定位技術(shù)相比都有明顯優(yōu)勢，能夠滿足未來無線定位的要求可以預(yù)見uwb技術(shù)將來一定會在無線定位領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但目前超寬帶技術(shù)正處于發(fā)展初級階段，精確定位技術(shù)的商業(yè)化正在進(jìn)行之中，定位算法還有待改進(jìn)，相關(guān)芯片還很少，市場推動力不足等因素，阻礙著uwb定位技術(shù)的推廣和應(yīng)用。