孫錦中

（上海電力學院計算機與信息工程學院，上海 200090）

近年來無線定位技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域已獲得了廣泛的應用，如雷達和GPS等.超寬帶（Ultra W ide Band，UWB）技術(shù)因其具有豐富的帶寬在定位方面具有很大的優(yōu)勢，在理論上超寬帶的定位精度可以達到厘米級，因此UWB技術(shù)在精確定位方面具有實際的應用前景.

1 UWB的定位方法

UWB技術(shù)是一種高速、低成本和低功耗的無線通信技術(shù).它不用載波，而采用時間間隔極短（納秒或納秒級以下）的非正弦波窄脈沖進行通信，也稱作脈沖無線電（Impulse Radio）、時域（Time Domain）或無載波（Carrier Free）通信.由于UWB系統(tǒng)的脈沖持續(xù)時間極短，具有較強的時間和空間分辨率，因此可以有效地對抗多徑衰落，可以在測距、定位和跟蹤方面實現(xiàn)很高的精度，在無線定位中具有突出的特點和優(yōu)勢［1］.

UWB定位技術(shù)屬于無線定位技術(shù)的一種，其定位原理按其測量參數(shù)的不同，可分為基于接收信號強度法、基于接收信號角度法和基于接收信號時間法3種.基于接收信號強度的定位方法是利用接收信號強度與待測目標至接收基站距離成反比的關(guān)系，通過測出接收信號的場強值、已知的信道衰落模型和發(fā)射信號的場強值估算出收發(fā)信號機之間的距離，根據(jù)多個距離值即能估計出待測目標的位置.基于接收信號角度的定位方法就是通過信號到達的方向來確定信號的位置.這種定位技術(shù)一般利用兩個或多個參考結(jié)點，通過測量接收信號的到達方向來估計目標結(jié)點的位置.基于接收信號時間的定位技術(shù)依賴節(jié)點間信號傳輸時間的測量，如果兩個節(jié)點共用一個時鐘，則接收信號的結(jié)點可以通過參考節(jié)點的時間信息來確定接收信號的到達時間.對于一個單路徑的加性高斯白噪聲（AWGN）信道來說，基于接收信號時間的技術(shù)是非常適合于UWB無線定位系統(tǒng)的，這主要歸功于其非常寬的帶寬［2］.

2 UWB定位系統(tǒng)的構(gòu)建

一個典型的UWB定位系統(tǒng)主要包含3個部分，即：電池供電的活動標簽（Tag），能夠發(fā)射UWB信號來確定位置;位置固定的傳感器（Sensor），能夠接收并估算從標簽發(fā)送過來的信號;綜合所有位置信息的軟件平臺（Software Platform），能夠獲取、分析并傳輸信息給用戶和其他相關(guān)信息系統(tǒng).

在該系統(tǒng)中，標簽發(fā)射極短的UWB脈沖信號，傳感器接收此信號，并根據(jù)脈沖到達的時間差分和脈沖到達的角度計算出標簽的精確位置.由于采用了UWB技術(shù)，加上傳感器內(nèi)部有一個UWB接收器陣列，從而在定位計算時可以得到高精度的角度坐標，以確保較高的定位精度和室內(nèi)應用的可靠性.傳感器通常按照蜂窩單元的形式進行組織，附加的傳感器可以根據(jù)其幾何覆蓋區(qū)域進行增加.在每個定位單元中，主傳感器配合其他傳感器工作，并與單元內(nèi)所有檢測到位置的標簽進行通訊.通過類似于移動通訊網(wǎng)絡的蜂窩單元組合，能夠做到較大面積區(qū)域的覆蓋.同時，傳感器也支持雙向的標準射頻通訊，允許動態(tài)改變標簽的更新率，使交互式應用成為可能.通過標準以太網(wǎng)線或無線局域網(wǎng)，可以將標簽位置發(fā)送到定位引擎軟件.定位引擎軟件將數(shù)據(jù)進行綜合，并通過API接口傳輸?shù)酵獠砍绦蚧蚨ㄎ黄脚_軟件，實現(xiàn)空間信息的可視化處理［3，4］.

3 UWB定位系統(tǒng)實例測試及分析

為了驗證UWB定位系統(tǒng)的可靠性與精確度，筆者建立了實際的UWB無線定位系統(tǒng)進行實驗與測試.

實驗中的UWB無線定位系統(tǒng)采用了英國Ubisense公司提供的標簽（Ubisense Tag）和傳感器（Ubisense Sensor），在實驗室中建立實際的測試環(huán)境.該測試房間為14.71 m×8.72 m×4 m，為了便于進行實驗數(shù)據(jù)的分析和處理，我們將房間分隔成長寬各為1 m的方格，并對房間建立坐標系.

定位場景的空間坐標系如圖1所示.

圖1 定位場景的空間坐標系

位于4個角落的4個Sensor的坐標分別為：主Sensor為0.10，0.12，2.14;Sensor 1為6.21，0，2.14;Sensor 2為0.16，13.28，2.12;Sensor 3為5.93，13.29，2.12.

3.1 靜態(tài)定位測試

在靜態(tài)定位測試中，將移動標簽依次放在房間內(nèi)預先劃定的各方格的頂點，然后分別對每個點進行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)測出各點的位置坐標，畫出測試點在房間內(nèi)的分布圖，再用測得的各點坐標與真實坐標相比較，計算出誤差，以此評估定位系統(tǒng)的精確度和可靠性.

實驗中，對每個點采集50個數(shù)據(jù)，根據(jù)測試數(shù)據(jù)繪出各點的分布圖如圖2所示.

觀察4個Sensor情況下點的分布情況可以發(fā)現(xiàn)，最邊緣的Y=1區(qū)域與Y=13區(qū)域的點呈現(xiàn)無規(guī)律的發(fā)散狀態(tài)，此時點的精度已經(jīng)不能保證，因此在分析數(shù)據(jù)時，取有代表性的Y=6這一區(qū)域來進行分析，其靜態(tài)測試數(shù)據(jù)如表1所示.

圖2 靜態(tài)測試點分布

表1 靜態(tài)測試數(shù)據(jù)記錄（Y=6）/m

由表1可知：

（1）除了邊緣區(qū)域外，所有的Y坐標的精度都在0.05 m以內(nèi);

（2）除了邊緣區(qū)域外，所有的X坐標的精度都在0.1 m以內(nèi);

（3）用4個Sensor并不能提高靜止點的X和Y坐標值，但是對于Z的提高有幫助;

（4）在使用4個Sensor的情況下，定位精度是最理想的，同時也能很好地保證信號的覆蓋效果，但是從圖2也可以看出，在測試區(qū)域的邊緣仍然會出現(xiàn)采集到的測試數(shù)據(jù)精度太差以至于無法準確繪出測試點位置的情況，因此需要舍棄邊緣區(qū)域的測試數(shù)據(jù)，選用靠近中心區(qū)域的測試數(shù)據(jù)，以獲得理想的測試結(jié)果.

3.2 動態(tài)定位測試

在動態(tài)測試中，先設(shè)定好移動標簽的運動軌跡，如圖3所示，讓移動標簽沿此軌跡運動，然后再根據(jù)傳感器測得的定位數(shù)據(jù)畫出標簽的運動軌跡，將兩個軌跡相比較，分析動態(tài)定位的可靠性與精確度.

圖3 動態(tài)測試運動軌跡設(shè)定

對移動標簽的定位數(shù)據(jù)進行分析，可得到移動標簽的定位軌跡，如圖4所示.

圖4 動態(tài)測試運動點分布

由圖4可知，中間折線的交點基本在（3，7）點處，而且很明顯的上半三角形比下半三角形要大，同時兩條橫向直線段的縱坐標基本在4與10處，這與預先設(shè)定的運動軌跡吻合.如果應用一些異常規(guī)則將異常點去除后，可以得到更精確的運動軌跡圖.此外，當物體運行到X=6處轉(zhuǎn)彎時，點的分布呈現(xiàn)集體異常情況.這是因為測試時將標簽放在人的外面口袋，轉(zhuǎn)彎時有一個較大的幅度，所以會出現(xiàn)這樣的結(jié)果.

4 結(jié)語

信號的距離分辨力與信號的帶寬成正比.由于超寬帶信號的超寬頻帶特性，使得UWB系統(tǒng)的距離分辨精度是其他系統(tǒng)的幾百甚至上千倍.UWB信號脈沖寬度為納秒級，其對應的距離分辨率可達到厘米級，這是其他窄帶系統(tǒng)無法比擬的.較高的距離分辨精度也使得超寬帶系統(tǒng)在完成通信的同時，還能實現(xiàn)準確的定位和跟蹤，定位與通信功能的融合也擴展了超寬帶系統(tǒng)的應用范圍.通過對UWB定位系統(tǒng)進行室內(nèi)靜態(tài)定位和動態(tài)定位測試可以看出，采用超寬帶無線電很容易實現(xiàn)室內(nèi)的精確定位，又因為其具有低功耗、抗干擾強的特點，所以在無線定位方面，UWB技術(shù)有著廣闊的應用前景.