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超宽带UWB高精度定位技术介绍

通信技术

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描述

UWB(UltraWideBand,超宽带)是一种以极低功率在短距离内高速传输数据的无线通信技术,UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势,主要应用于室内通信、家庭网络、位置测定、雷达检测等领域。系统容量大发送功率非常小,其电磁波辐射对人体的影响也会很小,应用面就广。

UWB定位技术原理

无线定位系统要实现精确定位,首先要获取与位置相关的变量信息,建立相应的数学模型,然后根据这些变量和参数以及数学模型来解算目标的坐标。UWB定位技术具有超高的时间和空间分辨率,保证了UWB可以准确的获得待定位目标的时间和角度信息,时间信息可以转化为距离信息,结合角度信息利用三角定位等几何定位方法求得待定位目标的位置信息。常用的测量角度和时间信息的方法有:基于接收信号强度(receivedsignalstrength,RSS)、基于接收信号到达角度(angleofarrival,AOA)、基于接收信号时间法(time/timedifferenceofarrival,TOA/TDOA)、AOA和TDOA混合定位法。

超宽带UWB高精度定位技术介绍

uwb技术优势

根据信号的定义及特点,UWB技术具有如下优势:

(1)系统容量大,传输速度快

根据香港信道容限公式,带宽越宽,系统的最大传输速率就越大。传统的无线载波通信系统由于频带窄,必须采用多进制的调制方式才能使信号的传输速率达到100Mbps以上,这就要求信噪比在一个很高的水平上,同时也大大增加了系统构建的复杂性。而UWB通信的带宽都在500MHz以上,其传输速率也达到1Gbps以上。

(2)发射功率低

IR-UWB具有1GHz以上的频带宽度,极大的带宽保证了较低的发射功率。在短距离无线通信应用中,发射机发射的UWB信号功率要低于1mW,这大大延长了电池寿命,保证了较长的系统工作时间,同时对人体的辐射危害也更小。

(3)多径分辨率高

UWB信号采用持续时间很短的窄脉冲,具有较强的时间和空间分辨率,系统的多径分辨率高,整个系统能够充分利用发射信号的能量。此外,UWB信号具有良好的抗多径性能,对于信道衰减不敏感,接收机通过分级便可以获得很强的康衰减能力,在室内或者建筑物比较密集的场合可以获得良好的定位效果,同时在进行测距、定位、跟踪时也能达到更高的精度。

(4)系统保密性好

UWB发射功率低,仅在1mW以下。它可以把信号弥散在一个极宽的频带范围内,对于一般的通信信号而言,UWB信号类似于白噪声可以安全低隐藏起来;而UWB信号的功率谱密度要低于普通的环境噪声,要将UWB信号从环境噪声中甄别出来不是一件容易的事情,这很好地保证了UWB信号的安全性。

(5)穿透能力强

窄脉冲具有很强的穿透能力,可以帮助比如警察搜寻隔墙的逃犯,以及解救那些被围困在建筑物里面的人们。

(6)定位精度高

UWB信号具有超宽频带的特性,使得UWB系统的距离分辨精度是其他系统的成千上百倍。UWB信号的距离分辨能力可达到厘米级,这是其它窄带系统望尘莫及的。

依赖于上述这些优点,UWB信号可以轻松穿透常见障碍物的阻隔,并能准确测距定位,因此可以用来构建具有较强通信和测距定位功能的无线定位系统,广泛应用于消防、智能化工厂、机场安检、军事训练等领域。

超宽带室内定位系统

超宽带室内定位系统则包括UWB接收器、UWB参考标签和主动UWB标签。定位过程中由UWB接收器接收标签发射的UWB信号,通过过滤电磁波传输过程中夹杂的各种噪声干扰,得到含有效信息的信号,再通过中央处理单元进行测距定位计算分析。

超宽带UWB高精度定位技术介绍

UWB室内定位结构图

超宽带可用于室内精确定位,例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系统与传统的窄带系统相比,具有穿透力强、功耗低、抗干扰效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此,超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航,且能提供十分精确的定位精度。

定位精度:根据不同公司使用的技术手段或算法不同,精度可保持在0.1m~0.5m。

超宽带UWB高精度定位技术前景展望

采用UWB进行无线定位,可以满足未来无线定位的需求,在众多无线定位技术中有相当大的优势,目前的研究表明超宽带定位的精度在实验室环境已经可以达到十几cm。此外,超宽带无线电定位,很容易将定位与通信结合,快速发展的短距离超宽带通信无疑将带动UWB在定位技术的发展,而常规无线电难以做到这一点。虽然无线精确定位技术已有了多年发展,但目前超宽带技术正处于发展初级阶段,精确定位技术的商业化正在进行之中,定位算法还有待改进。随着超宽带技术的不断成熟和发展,市场需求的不断增加,相信不久超宽带定位技术就可以完全实现商业化,精确的超宽带定位系统将会得到广泛应用。

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