揭秘：超宽带室内定位技术如何实现精确定位？

随着科学的发展与进步，GPS已经可以在室外提供稳定、精准的定位导航服务，但在室内或者有障碍物遮挡情况下，GPS因其信号穿透能力较差而无法实现精确的室内定位，因此室内定位成为定位导航领域里的“最后一公里”问题。

 

为解决室内定位这一难题，国内外研究人员尝试了WLAN技术、射频识别技术（RFID）、蓝牙技术、ZigBee技术等。但受限于作用距离、交互性能、定位精度、抗干扰能力、功耗以及成本等条件，这些室内定位技术都没能广泛推广应用开来。而超宽带室内定位技术的出现正好填补了高精度室内定位领域的空白。

 

何为超宽带技术？

 

超宽带技术利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽，并且时间分辨率较高。传统的定位技术是根据无线正弦信号的飞行时间或者信号强弱来判别物体位置，但是易受多径或外界环境的影响，定位出的位置与实际位置存在误差，波动较大，定位精度不高。

 

而恒高科技（EHIGH）的超宽带室内定位系统采用了宽带窄脉冲通讯技术（时间分辨率极高，使定位误差减小）、多源数据融合（有效提升定位系统的抗干扰能力）以及时间序列信号处理技术（在强多径复杂环境中，提取出首达路径信号），因此可以实现对定位目标的精准定位。

 

为何要提取出首达路径信号？

精确定位的关键在于，接收节点能正确接收到发射节点所发送信号的直射路径。而在实际的无线传输环境中，电磁波会受到墙面，金属等物体的反射，产生多径信号。

因此接收节点往往不仅能接收到直射路径，还能接收到反射路径传播的信号，并且直射路径信号和反射路径信号是相加的关系。

如果接收节点不能分离出接收信号中的直射路径，则接收节点定位的依据是直射路径信号和反射信号路径相加的结果，从而影响时间信息的获取，对定位精度造成影响。因此为了提高定位的精准度，定位系统需要提取出首达路径信号。

 

超宽带定位系统是目前业界精度最高的商用无线定位系统，可实现较高的实时定位精度与定位容量，通常能够在现实环境中获取高达10cm~20cm的二维定位精度。近年来，美国、加拿大、英国、中国等国家都投入了大量的人力和物力来对相关技术和产品进行研究和开发。

 

超宽带室内定位常用的定位方法

无线定位测量方法是指分析接收到的无线电波信号的特征参数，然后根据特定算法计算被测对象的位置（二维/三维坐标： 经度、纬度、高度）。常用的无线定位方式有如下几种：信号强度分析法（RSS）、到达角度定位法（AOA）、到达时间定位法（TOA）、到达时间差定位法（TDOA）。

 

到达角度定位（AOA）和信号强度分析法（RSS）

 

AOA通过获取被测点到两个接收机的信号到达角度进行定位，需要配置复杂的天线系统，且角度误差对定位精度的影响远比测距误差大。RSS则根据信号的传播模型，利用接收信号的强度与信号传播距离的关系，对目标进行定位。这种方法的定位覆盖距离较近，且对信道传输模型的依赖性非常大，多径以及环境条件的变化都会使其精度严重恶化，特别是距离估计的精度与信号的带宽无关，不能发挥UWB带宽大的优势。

 

所以，RSS和AOA方法一般不单独用于UWB定位，只能作为辅助手段进行初级粗定位，UWB实现精确定位主要依靠精密测距完成。

 

到达时间定位（TOA）

 

被测点（标签）发射信号到达 3 个以上的参考节点接收机（基站） ，通过测量到达不同接收机所用的时间，得到发射点与接收点之间的距离，然后以接收机为圆心，所测得的距离为半径做圆，3 个圆的交点即为被测点所在的位置。但是 TOA 要求参考节点与被测点保持严格的时间同步，多数应用场合无法满足这一要求。

 

该方法实现过程中，需要测得定位标签与每个基站的距离信息，从而定位标签需要与每个基站进行来回通信，因此定位标签功耗较高。该定位方法的优势在于在定位区域内外（基站围成区域的内外），都能保持很高的定位精度。

到达时间差定位（TDOA）

与 TOA 类似 ，只是测量得到的是时间差而非绝对时间。这种方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的严格的时间同步，使系统相对简化，所以在定位系统中应用最广。

TDOA定位即双曲线定位，二维定位中需要使用4个定位基站。通过测量标签到每两个基站之间的距离差，距离差等于常量即可绘制出双曲线，而曲线交点即可确定标签坐标。该方法实现过程中，标签只需要广播一次UWB信号即可，因此有利于标签的功耗及标签并发数量。

恒高科技超宽带室内定位系统采用了TOA和TDOA两种定位方法，保证高精度定位效果的同时，大大降低了定位标签的功耗。

 

超宽带室内定位系统构成

为了对定位原理深入了解，我们可对定位系统结构进行分析。恒高科技定位系统由应用层、服务层、传输层和感知层（定位基站和定位标签）构成，传输层主干网通信方式采用有线或无线的通信方式。系统架构如下图所示：

 

感知层

感知层主要包括定位基站和定位标签。基站和标签是定位系统的核心设备，标签会按时隙广播携带有自身ID号的无线电信号，定位基站接收到标签发送的信号后，将接收到信号的时间戳和标签ID卡号通过主干网传输给服务层，完成对标签卡的定位，基站也可以接收到应用层下发的指令，完成相关的设置。

 

传输层

传输层也称主干通信网（简称“主干网”），是基站与服务层、应用层之间的数据传输通道，向下将应用层相关指令传输给基站，向上将定位原始数据（标签与基站之间距离）传输给服务层，采用有线光纤方式进行数据传输。

 

服务层

通过标签与覆盖该区域定位基站进行测距，顶层通过各基站的位置和标签距离，通过TDOA算法或者TOA算法解算出标签坐标。除此之外，服务层还提供了灵活的设备管理和网络管理功能，以及各项前端功能和应用接口。

 

应用层

通过服务层获取定位标签的具体位置，以一维、二维或三维地图的形式实时显示标签的位置，并提供轨迹回放，人员信息管理和呼叫求救等功能。此外，应用层还提供websocket接口和http接口，通过websocket接口可获取标签卡的实时位置数据，通过http接口可获取系统相关的数据，因此，该定位系统易于二次开发和集成。

 

超宽带室内定位的发展趋势

 

基于超宽带技术的研究，最初出现于二十世纪五六十年代，在七十年代开始兴起，在当时主要是美国将这种技术应用于军事领域的雷达系统中，2002年之后，超宽带开始被允许商业化应用。

 

而国内对超宽带技术的关注始于2003年之后，最初主要是成都电子科技大学、哈工大等高校在做一些理论研究。而到了2012年之后，超宽带技术开始进入民用领域，国内做超宽带产品和技术方案的企业才开始涌现。

 

超宽带定位在众多无线定位技术中有相当大的优势，可以满足未来无线定位的需求。此外，与常规无线电技术相比，超宽带很容易将定位与通信结合，相对成熟的短距离超宽带通信必将带动超宽带在定位方面的发展。

 

虽然无线精确定位已有多年发展，但超宽带室内定位技术尚处于发展初级阶段。随着超宽带技术的不断成熟和发展，市场需求的不断增加，相信不久后超宽带室内定位技术可以完全实现商业化，精确定位系统也将会得到广泛应用。