【摘 要】近年來(lái)，全球定位系統(tǒng)（GPS）和北斗定位系統(tǒng)的應(yīng)用日趨廣泛，可以輕而易舉的實(shí)現(xiàn)全球的定位，但在許多場(chǎng)合關(guān)于精確定位的應(yīng)用仍有較大的局限性。首先，對(duì)于某些應(yīng)用，精度依舊太低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位，同時(shí)由于受電磁干擾的影響，全球定位系統(tǒng)存在一定的死區(qū)，在一些封閉的環(huán)境中，像大型倉(cāng)庫(kù)、封閉的集裝箱等，根本無(wú)法接收到GPS及北斗信號(hào)，定位也就無(wú)從說(shuō)起了。如何實(shí)現(xiàn)上述環(huán)境的精準(zhǔn)定位，已經(jīng)成為了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】全球定位系統(tǒng)；北斗定位系統(tǒng)；電磁干擾

1.國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

UWB（Ultra-Wide Band）超寬帶技術(shù)優(yōu)異的傳輸特性決定了其在安全領(lǐng)域的地位，所以在1994年以前UWB領(lǐng)域的早期研究，特別是沖擊無(wú)線(xiàn)電通信領(lǐng)域的研究，屬于美國(guó)政府的機(jī)密計(jì)劃。1994年以后，許多研究計(jì)劃才逐漸取消了保密限制，加快了UWB的發(fā)展速度。近年來(lái)，UWB的研究在國(guó)際上倍受重視，各國(guó)都在致力于超寬帶技術(shù)及其產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

2.系統(tǒng)組成

2.1位置計(jì)算服務(wù)器

位置計(jì)算服務(wù)器包括位置計(jì)算引擎、圖形呈現(xiàn)服務(wù)器以及數(shù)據(jù)信息計(jì)算中心，主要進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和位置信息計(jì)算。

2.2定位錨點(diǎn)

主要通過(guò)UWB無(wú)線(xiàn)鏈路，同定位標(biāo)簽進(jìn)行無(wú)線(xiàn)的信息交互，工作頻率在3-7GHZ，定位精度在15cm。

2.3軟件系統(tǒng)

（1）地圖管理及設(shè)置。

（2）錨點(diǎn)管理。

（3）平臺(tái)信息管理及設(shè)置。

（4）數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。

3.關(guān)鍵技術(shù)

3.1脈沖信號(hào)加載技術(shù)

超寬帶無(wú)線(xiàn)電中的信息載體為脈沖無(wú)線(xiàn)電，脈沖無(wú)線(xiàn)電是指以超短脈沖作為信息載體的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，這種技術(shù)的特點(diǎn)是，通過(guò)對(duì)非常窄（往往小于1ns）的脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，以獲得非常寬的帶寬來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。

3.2無(wú)線(xiàn)通信調(diào)制技術(shù)

UWB無(wú)線(xiàn)通信的調(diào)制方式有兩種：傳統(tǒng)的基于脈沖無(wú)線(xiàn)電方式和非傳統(tǒng)的基于頻域的處理方式，其中傳統(tǒng)的基于脈沖無(wú)線(xiàn)電調(diào)制方式又包括脈沖位置調(diào)制、脈沖幅度調(diào)制等。

3.3信道模型技術(shù)

目前尚未有一個(gè)通用的UWB信道模型，IEEE 802委員會(huì)關(guān)于UWB的信道模型提案主要有：Intel的S-V模型、Win-Cassioli模型等。其中修正后的S-V模型被推薦為IEEE 802.15.3a的室內(nèi)信道模型，該模型能很好擬合UWB實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)，已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可，成為各研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行UWB系統(tǒng)性能仿真的公共信道平臺(tái)。

3.4天線(xiàn)技術(shù)

UWB系統(tǒng)中，通常使用的面天線(xiàn)，它的特點(diǎn)是能產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)波束，可平衡UWB饋電，因此它能夠保證比較好的波形。目前，UWB系統(tǒng)天線(xiàn)設(shè)計(jì)還處于研究階段，沒(méi)有形成有效的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型。

4.擬解決關(guān)鍵問(wèn)題

4.1特定區(qū)域的精確定位

目前在反恐、應(yīng)急、救援等應(yīng)用中，室內(nèi)定位是一個(gè)關(guān)注的熱點(diǎn)。室內(nèi)無(wú)法利用GPS、北斗等衛(wèi)星定位系統(tǒng)，需要采用新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。UWB憑借其準(zhǔn)確的定位優(yōu)勢(shì)，采用協(xié)作模式與GPS等室外定位系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全方位立體化的定位。

4.2遠(yuǎn)距離分辨率

由雷達(dá)分辨理論可知，雷達(dá)信號(hào)的距離分辨率與其工作帶寬有關(guān)，工作帶寬越寬，其距離分辨率就越高。UWB雷達(dá)的距離分辨率相當(dāng)高，一般可達(dá)厘米數(shù)量級(jí)。

4.3目標(biāo)識(shí)別能力

UWB雷達(dá)目標(biāo)回波由目標(biāo)的早期響應(yīng)和晚期響應(yīng)組成，利用其晚期響應(yīng)可得到目標(biāo)的極點(diǎn)信息。對(duì)于大多數(shù)雷達(dá)目標(biāo)而言，它們的極點(diǎn)具有不變性，即目標(biāo)的極點(diǎn)與視角無(wú)關(guān)，只與目標(biāo)的形狀、結(jié)構(gòu)和材料構(gòu)成有關(guān)，是目標(biāo)的固有屬性，因此利用目標(biāo)的極點(diǎn)可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。另外，利用目標(biāo)的早期響應(yīng)可得到目標(biāo)的一維距離像，這也有利于目標(biāo)的識(shí)別。

4.4目標(biāo)成像的能力

一般說(shuō)來(lái)目標(biāo)成像要求有高的距離分辨率和角分辨率，采用超寬帶雷達(dá)信號(hào)，將UWB信號(hào)與合成孔徑技術(shù)相結(jié)合，可得到目標(biāo)高分辨率的三維圖像。

4.5發(fā)現(xiàn)隱蔽偽裝的目標(biāo)

由于UWB雷達(dá)具有較豐富的低頻分量，因而具有穿透叢林、樹(shù)葉，探測(cè)地表和墻后目標(biāo)的能力。這一特點(diǎn)對(duì)于探測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)上隱蔽在叢林、草叢中的敵方坦克、火炮等極為有利。另外，隱身目標(biāo)的隱身手段是針對(duì)電磁波某一頻段而言，在UWB雷達(dá)信號(hào)寬頻段的照射下，隱身目標(biāo)的隱身能力會(huì)失效。

4.6極強(qiáng)的“四抗”能力

目前雷達(dá)面臨著電子干擾、隱身技術(shù)、反輻射導(dǎo)彈和低空突防的嚴(yán)重威脅。UWB雷達(dá)工作頻段極寬，隱身目標(biāo)在它的照射下會(huì)原形畢露，電子對(duì)抗設(shè)備要對(duì)UWB雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行截獲、分析和干擾也變得極為困難。由于UWB雷達(dá)信號(hào)低的截獲概率和識(shí)別概率，反輻射導(dǎo)彈要想對(duì)它進(jìn)行攻擊也變得困難。

5.技術(shù)特色和創(chuàng)新點(diǎn)

5.1傳輸速率高，系統(tǒng)容量大

根據(jù)Shamon公式，系統(tǒng)的最大傳輸速率與系統(tǒng)的帶寬成正比。UWB通信的帶寬至少為500MHz，其傳輸速率可達(dá)1Gbps以上。傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)因?yàn)轭l帶窄，要實(shí)現(xiàn)100Mbps以上的傳輸速率，必須采用多進(jìn)制調(diào)制等方法，這就對(duì)信噪比提出很高的要求，同時(shí)提高了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

5.2發(fā)射功率低

超寬帶無(wú)線(xiàn)電的射頻帶寬可達(dá)1GHz以上，所需的平均功率很小。在短距離應(yīng)用中，UWB發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率低于1mw；低發(fā)射功率可以延長(zhǎng)系統(tǒng)電源工作時(shí)間，而且發(fā)射功率小，其電磁波輻射對(duì)人體的影響也會(huì)很小。

5.3多徑分辨力高

由于UWB采用持續(xù)時(shí)間很短的窄脈沖，其時(shí)間、空間分辨力很高，系統(tǒng)的多徑分辨率很高，因此能充分利用發(fā)射信號(hào)的能量。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)常規(guī)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)多徑衰落深達(dá)10-30dB的多徑環(huán)境，UWB信號(hào)的衰落最多不到5dB。多徑衰落是無(wú)線(xiàn)通信的一大障礙，傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)容易受到建筑物內(nèi)部和周?chē)鄰降母蓴_，而UWB信號(hào)由于對(duì)信道多徑衰落不敏感，具有優(yōu)良的抗多徑性能，接收機(jī)通過(guò)分集可以獲得很強(qiáng)的抗衰落能力，特別適合使用在室內(nèi)等多徑密集的場(chǎng)合，同時(shí)在進(jìn)行測(cè)距、定位、跟蹤時(shí)也能達(dá)到更高精度。

5.4保密性強(qiáng)

多數(shù)情況下，UWB信號(hào)的功率譜密度相當(dāng)于自然的電子噪聲，采用編碼對(duì)脈沖參數(shù)進(jìn)行偽隨機(jī)化后，脈沖的檢測(cè)將更加困難。由于UWB的發(fā)射功率低，信號(hào)隱蔽在環(huán)境噪聲和其它信號(hào)之中，用傳統(tǒng)的接收機(jī)無(wú)法接收和識(shí)別，必須采用與發(fā)射端一致的擴(kuò)頻碼脈沖序列才能進(jìn)行解調(diào)，因此增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。

5.5穿透力強(qiáng)

窄脈沖具有很強(qiáng)的穿透力，UwB具有比紅外線(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，如幫助警察搜尋隔墻的逃犯，以及解救那些被圍困在倒塌建筑物罩而的人們。此外，適用于窄帶系統(tǒng)的叢林通信模型同樣可適用于超寬帶系統(tǒng)，超寬帶技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)隔墻成像等。

5.6定位精度高

信號(hào)的距離分辨力與信號(hào)的帶寬成正比。由于超寬帶信號(hào)的超寬頻帶特性，使得UWB系統(tǒng)的距離分辨精度是其它系統(tǒng)的成百上千倍。UwB信號(hào)脈沖寬度在納秒級(jí)，其對(duì)應(yīng)的距離分辨能力可高達(dá)厘米級(jí)，這是其它窄帶系統(tǒng)所無(wú)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(shí)還能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位、跟蹤，定位與通信功能的融合也擴(kuò)展了超寬帶系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

6.結(jié)束語(yǔ)

采用UWB進(jìn)行無(wú)線(xiàn)定位，可以滿(mǎn)足應(yīng)用中的無(wú)線(xiàn)精確定位的需求，在眾多無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)中有相當(dāng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，目前的研究表明超寬帶定位的精度在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境已經(jīng)可以達(dá)到十幾厘米，此外，超寬帶無(wú)線(xiàn)電定位，很容易將定位和通信結(jié)合，快速發(fā)展的短距離超寬帶通信無(wú)疑將帶動(dòng)UWB在定位技術(shù)上的發(fā)展，而常規(guī)無(wú)線(xiàn)電難以做到這一點(diǎn)。雖然無(wú)線(xiàn)精確定位技術(shù)已經(jīng)有了很多年的發(fā)展，但目前超寬帶技術(shù)正處于發(fā)展的初級(jí)階段，精確定位技術(shù)正在進(jìn)行中，定位算法還有待改進(jìn)，隨著超寬帶技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，在重要物資定位系統(tǒng)、仿真訓(xùn)練系統(tǒng)以及特殊場(chǎng)景的人員定位系統(tǒng)都將有著長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展前景，對(duì)我國(guó)信息化建設(shè)起到重要的推動(dòng)作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]牛犇，梁濤.超寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的調(diào)制方式研究[J].電子質(zhì)量，2004（05）.