淺談UWB室內無線定位技術

技術背景

隨著無線通信技術的發展和數據處理能力的提高，基于位置的服務成為最有前途的互聯網業務之一。無論移動在室內還是室外環境下，快速準確地獲得移動終端的位置信息和提供位置服務的需求變得日益迫切。通信和定位兩大系統正在相互融合、相互促進。利用無線通信和參數測量確定移動終端位置，而定位信息又可以用來支持位置業務和優化網絡管理，提高位置服務質量和網絡性能。所以，在各種不同的無線網絡中快速、準確、穩定地獲取移動位置信息的定位技術及其定位系統已經成為當前的研究熱點。 

無線定位技術領域可分為廣域定位和短距離無線定位，廣域定位可分為衛星定位和移動定位；短距離定位主要包括WLAN、RFID、UWB、藍牙、超聲波等。當前應用的主要無線定位技術與無線定位測量方法的關聯狀況如下圖：

無線定位技術與定位測量方法關聯示意圖

與室外環境相比，在室內環境中感測位置信息并且需要非常可觀的精度是極具挑戰性的，部分原因是各種物體反射和信號的分散導致。而UWB（Ultra WideBand）是室內定位領域的一項新興技術，與其他定位技術相比，它具有更好的性能，更高精度，更適用于室內定位。

UWB定位技術概述

UWB超寬帶技術與傳統通信技術有極大的差異，它不需要使用傳統通信體制中的載波，而是通過發送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數據，從而具有GHz量級的帶寬。超寬帶室內定位可用于各個領域的室內精確定位和導航，包括人和大型物品，例如貴重物品倉儲、礦井人員定位、機器人運動跟蹤、汽車地庫停車等。 

超寬帶系統與傳統的窄帶系統相比，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統復雜度低、能提供精確定位精度等優點。因此，超寬帶技術可以應用于室內靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導航，且能提供十分精確的定位精度。但是成本比較昂貴，網絡部署復雜。

室內環境中的常用無線定位測量方法

無線定位測量方法是指分析接收到的無線電波信號的特征參數，然后根據特定算法計算被測對象的位置（二維/三維坐標：?經度，緯度，高度）。

常用的室內無線定位測量方法如下：

基于AOA（Angle of Arriva, 到達角度定位）的定位算法

基于TOA（Time of Arriva, 到達時間定位）的定位算法

基于TDOA（Time Difference of Arriva, 到達時間差定位）的定位算法

基于RSS（Received Signal Strength, 接收信號強度定位）的定位算法

混合定位

不同的算法，定位的精度也不同。為了提高定位的精度，也可以采用多種技術的組合。 

基于AOA的定位算法 

AOA定位是通過基站天線或天線陣列測出終端發射電波的入射角（入射角是光源與法線的夾角），從而構成一根從接收機到終端的徑向連線，即方位線。利用兩個或兩個以上AP接入點提供的AOA測量值，按AOA定位算法確定多條方位線的交點，即，為待定終端的估計位置。

基于AOA的定位算法

基于TOA的定位算法 

TOA技術是指由基站向移動站發出特定的測距命令或指令信號，并要求終端對該指令進行響應。基站會紀錄下由發出測距指令到收到終端確認信號所花費的時間，該時間主要由射頻信號在環路上的傳播時延、終端的響應時延和處理時延、基站的處理時延組成。如果能夠準確地得到終端和基站的響應和處理時延，就可以算出射頻信號的環路傳播時延。因為無線電波在空氣中以光速傳播，所以基站與終端之間的距離可以估算出來。當有三個基站參與測量時，就可以根據三角定位法來確定終端所在的區域。

基于TDOA的定位算法

TDOA定位算法是一種利用時間差進行定位的方法，通過測量信號達到基站的時間，可以確定信號源的距離，利用信號源到多個無線電監測站的距離（以無線電基站為中心，距離為半徑作園），就能確定信號的位置。通過比較信號到達多個基站的時間差，就能做出以檢測站為焦點、距離差為長軸的雙曲線的交點，該交點即為信號的位置。

TDOA是基于多站點的定位算法，因此要對信號進行定位必須有至少3個以上的監測站進行同時測量。而每個監測站的組成則相對比較簡單，主要包括接收機、天線和時間同步模塊。理論上現有的監測站只要具有時間同步模塊就能升級為TDOA監測站，而不需要復雜的技術改造。 

基于RSS的定位算法

在基于RSS的算法中，被跟蹤目標測量來自多個發射器接收的信號強度，以便使用信號強度作為發射器和接收器之間距離的估算參數。這樣，接收器將能夠估算其相對于發射器節點的位置。在基于RSS的算法中，無線信號傳輸過程中的多徑效應和通過障礙時產生的陰影效應是產生定位誤差的主要原因。在開放空間里，若無障礙物的阻隔，可以得到較為精確的定位，而在很多環境下，因為存在各種各樣的障礙物導致的多徑效應，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勢，在基于RSS的算法中，移動標簽僅用作接收器，因此依賴于來自多個發射器的接收信號的強度來找到它們的位置。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控制和定位準確性。此外，較少的通信流量有助于克服對使用中的標簽數量的限制。移動標簽只是接收器，數量沒有限制。

基于RSS的算法可以分為兩種主要類型：三邊測量和指紋識別。三邊測量算法使用RSS測量來估計到三個不同參考節點的距離，從而估計當前位置。另一方面，指紋識別需要收集場景RSS指紋的數據集，該數據集則用于將在線測量與數據集中最接近的指紋匹配用以估計位置。

目前，混合定位已成為新的無線定位主流。混合定位的核心思想依賴于可靠的短程測量的使用，以提高無線系統的位置估計的準確性。用已經實現了基本獨立的無線定位測量方法（RSS、TOA、TDOA、AOA等）的不同組合來增強位置估算的準確性。

UWB所采用的定位測量方法

對于UWB定位而言，AOA不如其他算法實用。此外，AOA需要傳感器之間的大量合作，并且會受到誤差累積的影響。雖然AOA具有可接受的準確度，但對于具有強散射的UWB信號而言其功能較弱。

另一方面，RSS算法相對于其他算法沒有有效地利用UWB的高帶寬。RSS更適合使用窄帶信號的系統。而TOA算法在基于UWB的系統等寬帶系統中表現更好。使用RSS算法，在提高可實現的準確度的意義上，對大帶寬沒有積極影響。與提供高精度的時間方法相比，這使得RSS方法的使用效率降低。

關于在二維空間中的定位，TDOA算法需要至少三個適當定位的基站，而AOA算法僅需要兩個基站用于位置估計。就準確性而言，當目標物體遠離基站時，角度測量中的微小誤差將對準確性產生負面影響。TDOA和AOA定位算法可以組合在一個算法中，它們可相互補充，這種算法具有實現高定位精度的優點。

由于UWB信號的高時間分辨率，TOA和TDOA相對于其他算法具有更高的準確度。對目前UWB定位來說最有效的解決方案是采用TOA與TDOA的混合定位算法，因為結合了兩種算法的優點。

總結

室內定位技術眾多，各種技術都有自己的局限性，彼此間又在一定程度上存在互相競爭。高精度室內定位技術均需要比較昂貴的額外輔助設備或前期大量的人工處理，這些都大大制約了技術的推廣普及。低成本的定位技術則在定位精度上需要提高。在提供高精度定位的基礎上降低成本也是室內定位的一個方向。未來的趨勢一定是多種技術融合使用，實現優勢互補，以面對復雜環境。其中成本越低、兼容性越好、精度越高的技術越容易普及。 

下圖是UWB與其他常用室內定位技術之間的比較。

常用室內定位技術之間比較

寫在最后

在工業4.0的物聯網體系中，關鍵位置定位信息，是工業信息智能化的重要組成部分，解決的是4.0時代工業現場供應鏈組件、生產設備、調度車輛與操作人員精確定位的問題，是對生產組織過程進行智能分析、科學決策的前提條件。

銳捷網絡人員資產定位管理方案通過融合感知級別的無源RFID應用、米級定位的有源RFID應用、亞米級定位的UWB超寬帶應用和銳捷物聯網平臺，提供一套軟硬件綜合應用解決方案?？蓪崿F實時定位、人員資產分布、歷史軌跡回放、電子圍欄報警、物資管理、物資盤點等功能。可廣泛應用于隧道管廊、司法監獄、大型工廠、石油化工、養老醫院、倉儲物流、智能樓宇、機場車站等對人員和資產有定位管理需求的場景。根據定位需求的不同，提供多種定位方案，實現需求與成本的完美平衡。