李自良，韓 笑，李 碩，袁保合

（華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045）

隨著信息化時(shí)代的深入，信息產(chǎn)業(yè)的各行各業(yè)都呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢?！拔恢谩弊鳛橐活愋畔㈤_始被人們所關(guān)注，尤其是隨著無線定位技術(shù)的快速發(fā)展，使得這一類信息可被廣泛使用于日常生活中，促使了許多依賴位置的服務(wù)產(chǎn)生。超寬帶技術(shù)憑借其定位精度高、多徑分辨率高、傳輸速度快、穿透能力強(qiáng)、發(fā)射功率小、系統(tǒng)復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)成為眾多無線室內(nèi)定位中最具發(fā)展前景的技術(shù)之一。

1 超寬帶技術(shù)

超寬帶（UWB）技術(shù)最早使用在包括軍用雷達(dá)和遙感等軍事領(lǐng)域中。21世紀(jì)初，F(xiàn)CC認(rèn)可超寬帶技術(shù)可以應(yīng)用于民用領(lǐng)域。超寬帶（UWB）定義如下：

即相對帶寬大于20%或者絕對帶寬大于500MHz。fH、fL指信號功率譜密度的峰值衰減10dB時(shí)所對應(yīng)的上下限頻率。

UWB不需要傳統(tǒng)通信中的載波，通過發(fā)送和接收窄脈沖來傳輸信息，使得其帶寬非常大，可以達(dá)到GHz。

基于超寬帶技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)采用基帶窄脈沖方式，具有較強(qiáng)的穿透障礙物能力，能夠滿足室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的要求，同時(shí)由于超寬帶時(shí)間分辨率小于1ns，可以在保持通信的同時(shí)實(shí)現(xiàn)厘米級別的定位精度。

2 超寬帶室內(nèi)定位原理

為了實(shí)現(xiàn)精確定位，無線定位系統(tǒng)必須首先獲得定位解所需的參數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)構(gòu)造相應(yīng)的求解模型，然后利用求解模型來求得目標(biāo)的位置。因?yàn)槌瑢拵Ь哂泻芨叩臅r(shí)間和空間的分辨率，所以可以準(zhǔn)確地獲取目標(biāo)的時(shí)間和角度信息，并將時(shí)間轉(zhuǎn)化為距離信息，從而求得目標(biāo)的位置。

基于UWB的定位技術(shù)通常采用測向和測距來實(shí)現(xiàn)定位，按照其測量參數(shù)的不同可分為4種方法：信號強(qiáng)度（RSS：Received Signal Strength）檢測法、到達(dá)角度（AOA：Angle Of Arrival）定位法、到達(dá)時(shí)間（TOA/：Time Of Arrival）定位法、到達(dá)時(shí)間差（TDOA ：Time Difference Of Arrival）定位法。

2.1 信號強(qiáng)度檢測法（RSS）和到達(dá)角度定位法（AOA）

基于RSS的檢測方法取決于線損模型，節(jié)點(diǎn)間的距離也影響著其精度，而且其對信道環(huán)境很敏感，魯棒性較差。此外，距離的估計(jì)與信號的帶寬無關(guān)，因此不能充分利用UWB的大帶寬。

基于AOA的檢測方法需要多陣列天線或波束形成技術(shù)，造成了系統(tǒng)成本的增加，而且角度誤差對定位精度影響遠(yuǎn)大于測距誤差。

因此，AOA和AOA一般不是單獨(dú)用作UWB定位，而是作為粗略定位的輔助手段。

2.2 到達(dá)時(shí)間定位法（TOA）

被測點(diǎn)發(fā)射信號給3個(gè)以上的參考節(jié)點(diǎn)，通過測量到達(dá)不同參考點(diǎn)所用的時(shí)間，得到發(fā)射點(diǎn)與參考點(diǎn)間的距離。然后以分別以三個(gè)參考點(diǎn)為圓心，被測點(diǎn)到各個(gè)參考點(diǎn)的距離為半徑作圓，三個(gè)圓的交點(diǎn)即為目標(biāo)的位置，即三圓確定一點(diǎn)。但是此方法要求參考點(diǎn)與被測點(diǎn)保持嚴(yán)格的時(shí)間同步，在大部分的場合難以滿足。

2.3 到達(dá)時(shí)間差定位法（TDOA）

TDOA與TOA相比，TDOA獲得的是時(shí)間差，使用雙曲線交叉定位。該方法只需要參考節(jié)點(diǎn)之間的同步，不需要測量節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步，使系統(tǒng)相對簡化，所以在定位系統(tǒng)中應(yīng)用最廣。

3 系統(tǒng)組成

不同的定位方法有不同的系統(tǒng)組成，本文介紹一基于TDOA檢測方法的典型的室內(nèi)定位系統(tǒng)。

該室內(nèi)定位系統(tǒng)分為標(biāo)簽、基站和中心處理器三部分。標(biāo)簽的位置未知，它過一段時(shí)間向基站發(fā)送一次定位信號；基站的位置已知且固定，它與中心處理器相連，基站與中心處理器之間的傳輸延時(shí)也已知。系統(tǒng)的主要工作流程如下：

（1）標(biāo)簽向基站發(fā)送定位信號。

（2）各個(gè)基站將接收到的標(biāo)簽發(fā)出的定位信號發(fā)送給中心處理器。

（3）中心處理器收到傳輸?shù)臅r(shí)間差，通過特定算法，推算出標(biāo)簽位置。

下面對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理過程進(jìn)行介紹。標(biāo)簽發(fā)射電路的時(shí)鐘讀出儲存器中的偽隨機(jī)調(diào)制編碼信息，用來控制電路中的脈沖間隔的變換。經(jīng)過偽隨機(jī)碼調(diào)制的時(shí)鐘序列激勵(lì)窄脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生窄脈沖，窄脈沖通過天線發(fā)射出去。接收機(jī)在系統(tǒng)時(shí)鐘控制下接收標(biāo)簽電路發(fā)射的窄脈沖信號。因?yàn)殡姶挪ㄝ椛涞倪^程中，會混雜入各種噪聲，所以必須進(jìn)行濾波處理。其次，還需要進(jìn)行等效采樣，進(jìn)行篩選，獲得有效的信息。最后中心處理器將獲得的有效信息經(jīng)過算法，得到目標(biāo)的位置。簡而言之，超寬帶定位系統(tǒng)通過產(chǎn)生、發(fā)射、接收和處理超寬帶信號來進(jìn)行定位。

4 存在的問題和未來前景

超寬帶系統(tǒng)中存在很多誤差來源，比如非視距影響、噪聲影響、參考節(jié)點(diǎn)之間的不同步和求解方程帶來的誤差等。

超寬帶技術(shù)雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是目前國內(nèi)外的技術(shù)都還不成熟。但是隨著目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的火熱發(fā)展，人們對位置精度的需求也越來越高，基于超寬帶的室內(nèi)定位由于其高精度的定位，一定可以廣泛應(yīng)用。