張魯川 董磊

摘 要：長(zhǎng)期以來(lái)衛(wèi)星定位系統(tǒng)在定位領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，比如說(shuō)GPS定位系統(tǒng)主要是為船舶，汽車(chē)，飛機(jī)等運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行定位導(dǎo)航。但衛(wèi)星定位系統(tǒng)也有不足之處。在于定位信號(hào)到達(dá)地面較弱，不能穿透建筑物。超寬帶系統(tǒng)具有發(fā)射功率低、抗多徑、安全系數(shù)高、傳輸速率高、穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn)。正是這些特點(diǎn)，超寬帶技術(shù)被廣泛應(yīng)用于物體以及人的定位跟蹤與導(dǎo)航。

關(guān)鍵詞：UWB超寬帶無(wú)線(xiàn)電脈沖；信號(hào)強(qiáng)度分析（RSS）和到達(dá)角度定位法（AOA）；到達(dá)時(shí)間定位法（TOA）；到達(dá)時(shí)間差定位法（TDOA）

1 什么是UWB技術(shù)

提到UWB技術(shù)，非專(zhuān)業(yè)人士知道者甚少，不像WLAN、BLUETOOTH技術(shù)那樣眾所周知。其實(shí)UWB技術(shù)早在上世紀(jì)90年代就已經(jīng)被提出。UWB是一種在雷達(dá)遙感中被廣泛應(yīng)用的傳輸技術(shù)，也是一種無(wú)載波的超寬帶通信技術(shù)，也可稱(chēng)為脈沖無(wú)線(xiàn)電。

2 UWB技術(shù)的特性

與藍(lán)牙、WLAN、TDMA、CDMA等帶寬相對(duì)較窄的傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)不同，UWB可以在寬頻上發(fā)送一組極窄的低功率脈沖。由于UWB頻譜寬、數(shù)據(jù)脈沖化、低功率，使得UWB的干擾小于傳統(tǒng)窄帶寬的無(wú)線(xiàn)解決方案。UWB具有以下特點(diǎn)。

2.1 發(fā)射功率低

超寬帶無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的射頻帶寬可達(dá)1GHz以上，在近距離的應(yīng)用中，UWB的發(fā)射功率低于1mW。這使得UWB系統(tǒng)與同頻段的窄帶通信系統(tǒng)保持良好的共存性。在發(fā)射時(shí)，將微弱的無(wú)線(xiàn)電脈沖信號(hào)分布在寬闊的頻帶之中，輸出功率甚至遠(yuǎn)低于普通設(shè)備產(chǎn)生的噪聲，系統(tǒng)有較大的處理增益。接收時(shí)將信號(hào)的能量還原，在解擴(kuò)過(guò)程中產(chǎn)生擴(kuò)頻增益。

2.2 多徑分辨能力強(qiáng)

多徑傳播效應(yīng)是限制數(shù)據(jù)傳輸速率與通信質(zhì)量的重要原因之，多徑衰落是無(wú)線(xiàn)通信的一大障礙一。由于UWB采用的是持續(xù)時(shí)間非常短的窄脈沖，其時(shí)間和空間分辨能力較強(qiáng)，因此系統(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。大量實(shí)驗(yàn)表明，在常規(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，傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)非常容易受到建筑物內(nèi)部和周?chē)鄰降母蓴_，UWB信號(hào)由于對(duì)信道多徑衰落不明顯，具有優(yōu)良的抗多徑性能。

2.3 保密性能好

UWB的保密性能表現(xiàn)在兩方面。一方面是采用跳時(shí)擴(kuò)頻，接收機(jī)只能在已知發(fā)送端的擴(kuò)頻碼時(shí)才能夠解出發(fā)射的數(shù)據(jù)；另一方面是系統(tǒng)發(fā)射功率譜密度非常低，傳統(tǒng)接收機(jī)根本無(wú)法接收。

2.4 高處理增益

超寬帶無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的處理增益是由UWB脈沖的占空比與發(fā)送各個(gè)比特所用的脈沖數(shù)決定的，因此能得到比實(shí)際擴(kuò)譜系統(tǒng)高很多的處理增益。

2.5 便于系統(tǒng)集成

UWB技術(shù)很容易將通信和定位集成在一起，是因?yàn)閁WB脈沖占空比特別低，有非常好的定位精度。信號(hào)的距離分辨力與信號(hào)的帶寬成正比。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)。

3 UWB定位技術(shù)的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)組成

一個(gè)基本的UWB的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)有一臺(tái)交換機(jī)、若干個(gè)接收器、至少一個(gè)參考標(biāo)簽和若干個(gè)用于跟蹤人員或設(shè)備的定位標(biāo)簽。

3.2 技術(shù)原理

UWB定位系統(tǒng)使用短脈沖超寬頻技術(shù)可以精確定位一個(gè)超寬頻射頻標(biāo)簽。其原理每個(gè)UWB系統(tǒng)的定位標(biāo)簽反復(fù)發(fā)出脈沖數(shù)據(jù)包，這個(gè)數(shù)據(jù)包是由一串超寬頻脈沖組成。由于這些標(biāo)簽不是同時(shí)發(fā)送，并且每個(gè)標(biāo)簽發(fā)送的時(shí)間極短，所以每個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞的可能性很小，所以在同一個(gè)區(qū)域可以同時(shí)處理幾百甚至幾千個(gè)定位標(biāo)簽。

UWB實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的接收器接收定位標(biāo)簽發(fā)送出來(lái)的脈沖數(shù)據(jù)包。接收器通常部署在定位區(qū)域的邊緣。三個(gè)接收器或以上可以精確進(jìn)行二維定位，四個(gè)接收器或以上可以進(jìn)行三維定位。如果只有一個(gè)接收器，可以用來(lái)做靠近測(cè)試。

每一個(gè)UWB定位系統(tǒng)的接收器使用高度敏感、高速度、短脈沖的監(jiān)聽(tīng)來(lái)測(cè)量每個(gè)脈沖數(shù)據(jù)包到達(dá)其天線(xiàn)的精確時(shí)間。超寬頻脈沖極寬的帶寬使得這些接收器測(cè)量脈沖數(shù)據(jù)包到達(dá)的時(shí)間可以精確到納秒級(jí)。UWB系統(tǒng)的中心交換機(jī)根據(jù)參考標(biāo)簽的坐標(biāo)、脈沖數(shù)據(jù)包到達(dá)各個(gè)接收器的時(shí)間差和一個(gè)多路徑算法，精確的確定一個(gè)定位標(biāo)簽的位置，精度可高達(dá)10cm。

3.3 無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)方式

常用的無(wú)線(xiàn)定位方式有以下幾種：信號(hào)傳播時(shí)間的測(cè)量方法、基于接收信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量方法、基于信號(hào)到達(dá)角度的測(cè)量方法和混合定位法。

3.3.1到達(dá)時(shí)間定位（TOA）和到達(dá)時(shí)間差定位（TDOA）方法?；谛盘?hào)傳播時(shí)間的定位方法分為基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間（Time Of Arrive，簡(jiǎn)稱(chēng)TOA）和信號(hào)達(dá)到時(shí)間差（Time Difference Of Arrive，簡(jiǎn)稱(chēng)TDOA）兩種定位方法。

被測(cè)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)發(fā)送到4個(gè)及4個(gè)以上的參數(shù)接收機(jī)，通過(guò)測(cè)量信號(hào)到達(dá)各個(gè)接收機(jī)所需時(shí)間，得到發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的距離，然后以接收機(jī)的節(jié)點(diǎn)為圓心，所得距離為半徑作圓，這些圓的交點(diǎn)即為目的節(jié)點(diǎn)的位置。但到達(dá)時(shí)間定位要求參考節(jié)點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)應(yīng)嚴(yán)格保持時(shí)間的同步，否則會(huì)使定位精度受到非常大的影響，大多數(shù)情況下應(yīng)用場(chǎng)合無(wú)法滿(mǎn)足這一點(diǎn)。

與TOA不同的是，只是測(cè)量得到的是時(shí)間差而非絕對(duì)時(shí)間，TDOA技術(shù)只需要接收機(jī)時(shí)間同步，不要求參考節(jié)點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)之間的嚴(yán)格的時(shí)間同步。TDOA技術(shù)只是通過(guò)測(cè)量發(fā)射信號(hào)到達(dá)不同接收機(jī)的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行定位。一個(gè)TDOA測(cè)量值對(duì)應(yīng)的是以?xún)蓚€(gè)參考節(jié)點(diǎn)為焦點(diǎn)的一對(duì)雙曲線(xiàn)。

3.3.2 信號(hào)強(qiáng)度分析法（RSS）和到達(dá)角度定位（AOA）。RSS定位方式就是根據(jù)某一參考信號(hào)在空間中的衰落程度，計(jì)算出距離的。RSS定位方式通過(guò)測(cè)量接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)和已知信道衰落模型與發(fā)生信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)來(lái)估計(jì)彼此之間的距離。AOA通過(guò)直接測(cè)量?jī)蓚€(gè)接收機(jī)的信號(hào)到達(dá)角度進(jìn)行定位，需要配置復(fù)雜的天線(xiàn)系統(tǒng)。

所以，信號(hào)強(qiáng)度分析和到達(dá)角度定位的方法一般不單獨(dú)用于UWB測(cè)距，只當(dāng)做輔助手段進(jìn)行初級(jí)定位，UWB能夠?qū)崿F(xiàn)精確的定位主要還是依靠精密測(cè)距完成。

3.3.3 混合定位方法。混合定位利用前面提到的方法，利用其各自的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，進(jìn)行兩種或多種組合進(jìn)行定位。

3.4 定位協(xié)議

測(cè)距和定位技術(shù)為設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)重新定位的算法和相關(guān)協(xié)議提供了基本框架。定位節(jié)點(diǎn)可分為完整節(jié)點(diǎn)與簡(jiǎn)化功能節(jié)點(diǎn)。完整節(jié)點(diǎn)和多個(gè)簡(jiǎn)化功能節(jié)點(diǎn)，以及相鄰的FFD進(jìn)行通信，僅能與一個(gè)FFD通信即可非常簡(jiǎn)單的完成RFD的定制。定位協(xié)議可分為兩類(lèi)：基于錨的協(xié)議和無(wú)錨協(xié)議。

4 UWB定位技術(shù)前景

UWB定位技術(shù)具有抗干擾性強(qiáng)、功率低、保密性好、精度高等優(yōu)勢(shì)，想必在未來(lái)的應(yīng)用中會(huì)越來(lái)越多?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)很多廠(chǎng)家也都已經(jīng)有比較成熟的產(chǎn)品。在我國(guó)，UWB技術(shù)也才起步不久，相信未來(lái)會(huì)有更多的人和企業(yè)開(kāi)始接觸和探索UWB技術(shù)，帶來(lái)更多新穎、具有創(chuàng)造性的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

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