高精度室內(nèi)定位技術(shù)——UWB

在分析室內(nèi)定位的相關(guān)技術(shù)之前，我們先來了解一下定位是怎么工作的。定位的核心技術(shù)其實(shí)是測距。給定空間中已知三點(diǎn)的具體坐標(biāo)，和一個未知點(diǎn)到三點(diǎn)的距離，即可算出未知點(diǎn)的坐標(biāo)。這通常叫做 三邊測量定位算法。

三邊測量定位的幾何理解非常簡單。

以三個已知點(diǎn)和距離作三個圓，他們交于同一個點(diǎn)，這個點(diǎn)的坐標(biāo)就是測量點(diǎn)的坐標(biāo)。然而這是一個理想情況，實(shí)際由于測量精度的限制，實(shí)際上他們通常 交不到一個點(diǎn)上 ，交出來的是一塊有面積的東西。這塊面積的大小就是定位精度。當(dāng)然我們可以通過 更多組的測量 使得相交的面積進(jìn)一步減小以提高精度。

在這樣簡單易行的算法的支持下，我們就將定位問題 轉(zhuǎn)化為了測直線距離問題，如何精確計算一個已知點(diǎn)到未知點(diǎn)的距離。GPS 的解決方案非常簡單粗暴。GPS 的本質(zhì)是一個 授時系統(tǒng)，也就是告訴你衛(wèi)星發(fā)出這個信號的時候是幾點(diǎn)幾分幾秒幾毫秒幾微秒。而從 GPS 到地面有一定距離，無線電波在空氣中以光速傳播，等傳到終端上是已經(jīng)過去了幾微秒，所以我們只要乘上光速就能知道終端到這顆星的距離了。

一個要克服的問題是終端的時間并不一定很精確，但如果我們可以通過幾顆星之間 兩兩差值 來算出本地應(yīng)該有的時間。通過十幾顆星一起授時進(jìn)行修正，最后能很好將精度控制住。提高精度的方法也很粗暴，提高授時精度即可。

這樣的模型放在室內(nèi)定位的時候會遇到什么問題呢？

• 1. 距離太短，時間難測
  

由于室內(nèi)定位距離太短，要知道光速是 299,792,458 m/s，跑幾米的時間太短了，根本測不精準(zhǔn)。所以如果想繼續(xù)通過授時的方法解決問題，無線電波通常是不靠譜的。當(dāng)然也不是沒有解決方案，比如速度慢得多的聲波，一個解決方案就是超聲波定位，這個可以是主動等回波來測量，或者被動授時測量，但超聲波受多徑效應(yīng)和非視距傳播影響很大，設(shè)計起來非常捉急。

• 2. 信號遮擋，波長難選

同樣無論用超聲還是無線電都會遇到這個問題。波長長了，能繞過障礙物，但接收很困難，畢竟手機(jī)上不能捆個大鍋蓋（繞過障礙物 = 繞過終端設(shè)備）。波長短了，信號很容易被遮擋，導(dǎo)致收不到信號。

現(xiàn)在的室內(nèi)定位設(shè)備都是怎么工作的呢？

折中選擇一個頻率，使得不太容易被遮擋也比較好接收，這種選擇的話2.4GHz 或者 5GHz 的 Wi-Fi 或者藍(lán)牙信號就是可選的。這個頻率在一個合法的發(fā)射功率下距離不太大。這有一個好處：信號衰減很有規(guī)律，通過測量信號強(qiáng)度通常就可以估計出離發(fā)射源的距離了。

更重要的是 Wi-Fi 和藍(lán)牙都是手機(jī)上已經(jīng)集成好的模塊，可以降低硬件部署成本。現(xiàn)在常見的 Wi-Fi 室內(nèi)定位和 iBeacons 也是基于類似的原理。而基于 ZigBee 協(xié)議的定位選擇了距離更短功耗更低的****來獲得更精確的定位，其本質(zhì)是類似的。

這樣的方法目前已經(jīng)可以獲得室內(nèi)幾米的定位精度，也就是說可用的地步了。那么現(xiàn)在還有什么問題要克服呢？

• 1. 多徑效應(yīng)與測量精度

還是這個問題，信號可能在室內(nèi)多次反射，這樣得到的信號其實(shí)是不能正確測距的。相比 GPS 幾乎和地面沒有遮擋物的條件，室內(nèi)房屋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，移動的人、物品的擺放、墻壁、門都可能成為嚴(yán)重影響距離測量的因素。

當(dāng)然如果像 ZigBee 這樣距離非常短的傳輸協(xié)議，其實(shí)受這種影響相對就會小一點(diǎn)，能提高精度?，F(xiàn)在像 Google 試圖從算法上提高精度并取得了一定成果，所以這個問題并不太大。

• 2. 發(fā)射距離與部署成本

Wi-Fi 和藍(lán)牙發(fā)射距離很短意味著要 大量部署設(shè)備，要完成一個商場室內(nèi)定位設(shè)備的部署其成本其實(shí)相當(dāng)高。如果當(dāng)前應(yīng)用的場景還不是很豐富的情況下，商家很少會主動部署這樣的設(shè)備。雖然同樣是 Wi-Fi，不能再是單純覆蓋即可的思路，而是要每個點(diǎn)至少要能搜到四五個 Wi-Fi 信號，成本相當(dāng)高。ZigBee 的話由于其傳輸距離短，部署的成本會更高。

室內(nèi)定位現(xiàn)狀：

當(dāng)前市場對定位的需求越來越多，所以衍生出各種各樣的定位技術(shù)，幵根據(jù)丌同定 位信號不同用途分成不同的定位系統(tǒng)。如利用衛(wèi)星無線 RF 信號的 GPS、利用紅外和激光的光學(xué)定位、利用超聲和聲納的聲音定位、利用圖像處理和計算機(jī)視覺的視覺定位、利用陀螺原理的相對定位等等。 

其中，GPS 是目前應(yīng)用最成功的定位技術(shù)，不過它也有一個很明顯的缺陷，就是在室內(nèi)不能定位，而且一般民用的精度也不夠高（10m 左右），相對于室內(nèi)定位的要求（1m 左右或更低）還有一段距離。目前室內(nèi)無線定位技術(shù)的研究相對集中在基于 RF 信號，并結(jié)合各種無線網(wǎng)絢技術(shù)如 ZigBee，超寬帶(Ultra-Wide Band，UWB)，Wi-Fi，藍(lán)牙， 射頻識別(Radio-frequency Identification，RFID)等定位技術(shù)的研究。

超寬帶技術(shù)（UWB） 超寬帶技術(shù)是與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大差異的通信無線新技 術(shù)。它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級以下 的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有 3.1~10.6GHz 量級的帶寬。

目前，包括美國，日本， 加拿大等在內(nèi)的國家都在研究這項(xiàng)技術(shù)，在無線室內(nèi)定位領(lǐng)域具有良好的前景。UWB 技術(shù)是一種傳輸速率高（最高可達(dá) 1000Mbps 以上），發(fā)射功率較低，穿透能力較強(qiáng)并且是基于極窄脈沖的無線技術(shù)，無載波。正是這些優(yōu)點(diǎn)，使它在室內(nèi)定位領(lǐng)域 得到了較為精確的結(jié)果。

超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)常采用 TDOA 演示測距定位算法，就是通 過信號到達(dá)的時間差，通過雙曲線交叉來定位的超寬帶系統(tǒng)包括產(chǎn)生、収射、接收、處 理極窄脈沖信號的無線電系統(tǒng)。而超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)則包括 UWB 接收器、UWB 參考標(biāo)簽和主動UWB 標(biāo)簽。

定位過程中由 UWB 接收器接收標(biāo)簽發(fā)射的 UWB 信號，通過過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號，再通過中央處理單元進(jìn)行測距定位計算分析。

室內(nèi)布局很多****（Anchor），可以獲取標(biāo)簽（Tag）跟各個****的距離，根據(jù)這些測量的距離就可以對標(biāo)簽（Tag）進(jìn)行定位，類似GPS原理。如果我們再融合慣性傳感器和恰當(dāng)?shù)乃惴?，就可以獲取相對于****（Anchor）更精確的定位信息。

超寬帶可用于室內(nèi)精確定位，例如戰(zhàn)場士兵的位置發(fā)現(xiàn)、機(jī)器人運(yùn)動跟蹤等。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、抗干擾效果好、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。定位精度：根據(jù)不同公司使用的技術(shù)手段或算法不同，精度可保持在0.1m~0.5m。

UWB具有以下特點(diǎn)

• 1 系統(tǒng)容量大

香農(nóng)公式給出C=Blog2(1+S/N)可以看出，帶寬增加使信道容量的提高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號功率上升所帶來的效應(yīng)，這一點(diǎn)也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機(jī)理。超寬帶無線電系統(tǒng)用戶數(shù)量大大高于3G系統(tǒng)。

• 2 高速的數(shù)據(jù)傳輸

UWB系統(tǒng)使用上吉赫茲的超寬頻帶，根據(jù)香農(nóng)信道容量公式，即使把發(fā)送信號功率密度控制得很低，也可以實(shí)現(xiàn)高的信息速率。一般情況下，其最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到幾百兆比特每秒到吉比特每秒。

• 3 多徑分辨能力強(qiáng)

UWB由于其極高的工作頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率，窄脈沖的多徑信號在時間上不易重疊，很容易分離出多徑分量，所以能充分利用發(fā)射信號的能量。實(shí)驗(yàn)表明，對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達(dá)10～30dB的多徑環(huán)境，UWB信號的衰落最多不到5dB。

• 4 隱蔽性好

因?yàn)閁WB的頻譜非常寬，能量密度非常低，因此信息傳輸安全性高。另一方面，由于能量密度低，UWB設(shè)備對于其他設(shè)備的干擾就非常低。

• 5 定位精確

沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，可在室內(nèi)和地下進(jìn)行精確定位，精度最高可達(dá)2厘米，一般精度在15厘米內(nèi)。

• 6 抗干擾能力強(qiáng)

UWB擴(kuò)頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個比特所用的脈沖數(shù)。UWB的占空比一般為0.01～0.001，具有比其他擴(kuò)頻系統(tǒng)高得多的處理增益，抗干擾能力強(qiáng)。一般來說，UWB抗干擾處理增益在50dB以上。

• 7 低成本和低功耗

UWB無線通信系統(tǒng)接收機(jī)沒有本振、功放、鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、混頻器等，因而結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本將很低。由于UWB信號無需載波，而是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0.20～1.5ns之間，有很低的占空因數(shù)，所以它只需要很低的電源功率。一般UWB系統(tǒng)只需要50～70mW的電源，是藍(lán)牙技術(shù)的十分之一。

無線UWB技術(shù)最基本的工作原理是發(fā)送和接收脈沖間隔嚴(yán)格受控的高斯單周期超短時脈沖，超短時單周期脈沖決定了信號的帶寬很寬，接收機(jī)直接用一級前端交叉相關(guān)器就把脈沖序列轉(zhuǎn)換成基帶信號，省去了傳統(tǒng)通信設(shè)備中的中頻級，極大地降低了設(shè)備復(fù)雜性。

無線UWB技術(shù)采用脈沖位置調(diào)制PPM單周期脈沖來攜帶信息和信道編碼，一般工作脈寬0.1-1.5ns (1納秒= 一億分之一秒)，重復(fù)周期在25-1000ns。

典型高斯單周期脈沖的時域和頻域

實(shí)際通信中使用一長串的脈沖。圖3顯示了周期性重復(fù)的單脈沖的時域和頻域特性。頻譜中出現(xiàn)了強(qiáng)烈的能量尖峰，這是由于時域中信號重復(fù)的周期性造成了頻譜的離散化。這些尖峰將會對傳統(tǒng)無線電設(shè)備和信號構(gòu)成干擾，而且這種十分規(guī)則的脈沖序列也沒有攜帶什么有用信息。改變時域的周期性可以減低這種尖峰，即采用脈沖位置調(diào)制PPM?！　?/span>

單周期脈沖序列的時、頻域特性

比如可以用每個脈沖出現(xiàn)位置超前或落后于標(biāo)準(zhǔn)時刻一個特定的時間δ來表示一個特定的信息。圖4是一個二進(jìn)制信息調(diào)制的示例。

PPM調(diào)制的示意圖

圖中調(diào)制前脈沖的平均周期和調(diào)制量δ的數(shù)值都極小。因此調(diào)制后在接收端需要用匹配濾波技術(shù)才能正確接收，即用交叉相關(guān)器在達(dá)到零相位差的時候就可以檢測到這些調(diào)制信息，哪怕信號電平低于周圍噪聲電平。由圖還可見調(diào)制后降低了頻譜的尖峰幅度，之所以仍不夠十分平滑是因?yàn)闀r間位置偏移量不夠大，也不夠雜亂。

為了進(jìn)一步平滑信號頻譜，可以讓重復(fù)時間的位置偏移量δ大小不一，變化隨機(jī)，同時也為了在共同的信道比如空中取得自己專用的信道，即實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的多址，可以對一個相對長的時間幀內(nèi)的脈沖串按位置調(diào)制進(jìn)行編碼，特別是采用偽隨機(jī)序列編碼。接收端只有用同樣的編碼序列才能正確接收和解碼。圖4顯示了偽隨機(jī)時間調(diào)制編碼后的脈沖序列的波形和頻譜。

圖中頻譜已經(jīng)接近白噪聲頻譜，功率也小了許多，這就是偽隨機(jī)編碼產(chǎn)生的效果。適當(dāng)?shù)剡x擇碼組，保證組內(nèi)各個碼字相互正交或接近正交，就可以實(shí)現(xiàn)碼分多址。

偽隨機(jī)時間調(diào)制編碼后的脈沖序列

基于無線UWB技術(shù)的系統(tǒng)采用相關(guān)接收技術(shù)，關(guān)鍵部件稱為相關(guān)器（correlator）。相關(guān)器用準(zhǔn)備好的模板波形乘以接收到的射頻信號，再積分就得到一個直流輸出電壓。相乘和積分只發(fā)生在脈沖持續(xù)時間內(nèi)，間歇期則沒有。

處理過程一般在不到1ns的時間內(nèi)完成。相關(guān)器實(shí)質(zhì)上是改進(jìn)了的延遲探測器，模板波形匹配時，相關(guān)器的輸出結(jié)果量度了接收到的單周期脈沖和模板波形的相對時間位置差。不同位置七個脈沖經(jīng)相關(guān)器后的波形****，750ns后的穩(wěn)定波形是輸出結(jié)果。

值得注意的是，雖然UWB信號幾乎不對工作于同一頻率的無線設(shè)備造成干擾。但是所有帶內(nèi)的無線電信號都是對UWB信號的干擾，無線UWB技術(shù)可以綜合運(yùn)用偽隨機(jī)編碼和隨機(jī)脈沖位置調(diào)制以及相關(guān)解調(diào)技術(shù)來解決這一問題。