逄坤

摘 要：和傳統(tǒng)的技術(shù)相比起來，超寬帶技術(shù)的傳輸速率更高，同時(shí)具有更高的時(shí)域分辨度，同時(shí)穿透性較強(qiáng)，優(yōu)勢非常明顯。近年來其應(yīng)用也開始為人們所重視，尤其是在于短距離傳輸、復(fù)雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸上的優(yōu)勢更加明顯，所以現(xiàn)在已經(jīng)成為室內(nèi)無線定位的重要實(shí)現(xiàn)途徑。這項(xiàng)技術(shù)最早應(yīng)用于上個(gè)世紀(jì)六十年代，其初期主要用于軍事領(lǐng)域的監(jiān)聽，近年來才開始逐步推廣為民用和商用。本文針對(duì)其定位和追蹤技術(shù)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了簡要分析，希望可以給相關(guān)工作的開展提供一些參考。

關(guān)鍵詞：超寬帶；無線網(wǎng)絡(luò)；定位技術(shù)

GPS定位技術(shù)現(xiàn)在得到了很大程度的推廣，可以說給人們的日常生活帶來了很大的便利。但是這其實(shí)也面臨著很多問題，例如衛(wèi)星信號(hào)并不能隨時(shí)覆蓋，在室內(nèi)、森林等環(huán)境下經(jīng)常導(dǎo)航失靈，而室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜的情況下也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減，這些問題的存在都會(huì)造成定位上的誤差。而超寬帶（UWB）信號(hào)的穿透能力較強(qiáng)，時(shí)域分辨率上也存在明顯的優(yōu)勢，所以這項(xiàng)技術(shù)用于定位的優(yōu)勢非常明顯。UWB信號(hào)的絕對(duì)貸款超過500MHZ，其本質(zhì)也是通過的萊昂占用帶寬來實(shí)現(xiàn)的穿透能力的。

1 超寬帶技術(shù)簡介

超寬帶技術(shù)簡稱UWB，其是一種新的頻譜方式，在很多通信系統(tǒng)都可以得到應(yīng)用，不僅成本低廉、功耗較低，同時(shí)也有著很強(qiáng)的抗干擾能力和穿透力，在無線通信空間的容量上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他通信系統(tǒng)，但是其缺點(diǎn)也非常明顯，不僅會(huì)占用很大的帶寬，更會(huì)給其他無線電設(shè)備造成影響，所以現(xiàn)在對(duì)于UWB的應(yīng)用，各國都提出了一些限制，但是現(xiàn)在國際上都已經(jīng)提高了對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的研究力度，例如很多筆記本電腦當(dāng)中都已經(jīng)具備了超寬帶傳輸模塊。

UWB定位精確度很高、具備很好的安全性，所以在未來，無線定位技術(shù)當(dāng)中，UWB的應(yīng)用也將越來越廣泛。由于其具備低功耗和強(qiáng)抗干擾能力的特點(diǎn)，所以在軍事方面的應(yīng)用價(jià)值非常明顯，與此同時(shí)，在醫(yī)護(hù)和辦公自動(dòng)化以及未來的機(jī)器人追蹤等領(lǐng)域，所以應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)迅速擴(kuò)展。

2 UWB定位技術(shù)

2.1 典型定位算法

現(xiàn)階段所應(yīng)用的無線定位算法可以分為兩類，分別是以距離為基礎(chǔ)和以定位為基礎(chǔ)的算法，相比之下和距離無關(guān)的算法并不會(huì)對(duì)硬件有過高的要求，但是精度也受到了一定的限制，所以現(xiàn)階段，基于距離的算法最為常用。

（1）角度定位和強(qiáng)度分析

到達(dá)角度定位簡稱為AOA、信號(hào)強(qiáng)度分析簡稱為RSS，AOA通過針對(duì)被檢測到的兩個(gè)接收機(jī)信號(hào)進(jìn)行檢測，之后實(shí)現(xiàn)定位，這個(gè)過程需要天線系統(tǒng)的支持，并且一旦出現(xiàn)角度誤差，就會(huì)直接給定位精度造成很大的影響。而RSS則是結(jié)合信號(hào)傳輸模型來對(duì)比接收信號(hào)和距離之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)定位。但是這種算法對(duì)于信號(hào)傳輸模型的依賴性非常明顯，如果環(huán)境條件出現(xiàn)了改變，也會(huì)直接影響定位，所以UWB的優(yōu)勢無從發(fā)揮。這樣看來，無論是到達(dá)角度定位還是信號(hào)強(qiáng)度都不能很好地完成距離測定，只能進(jìn)行粗定位，作為輔助手段來使用，如果想要實(shí)現(xiàn)精確定位，仍然需要精密測距。

（2）到達(dá)時(shí)間分析（TOA）

如果被側(cè)點(diǎn)有三個(gè)以上的參考節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行測量，經(jīng)由其到達(dá)各接收機(jī)所需的時(shí)間的不同來進(jìn)行三角定位，算出距離，就可以直接測定出被測點(diǎn)的位置來。如果帶寬為1GHz，那么其精度非常高，誤差僅為數(shù)cm，但這需要時(shí)間定位上具備嚴(yán)格時(shí)間同步，這也是較為難以實(shí)現(xiàn)的。

（3）到達(dá)時(shí)間差定位（TDOA）

與TOA類似，一般文獻(xiàn)不區(qū)別討論，只是測量得到的是時(shí)間差而非絕對(duì)時(shí)間，利用雙曲線交叉進(jìn)行定位。應(yīng)用此法只需參考節(jié)點(diǎn)之間保持同步，不要求參考節(jié)點(diǎn)與被測點(diǎn)之間嚴(yán)格的時(shí)間同步，使系統(tǒng)相對(duì)簡化，所以在定位系統(tǒng)中應(yīng)用最廣。

（4）混合處理法（Hybrid）

綜合運(yùn)用RSS與TOA/TDOA方法，當(dāng)被測點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)間距離較近時(shí)，采用RSS輔助方法可以減小數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度，大幅提升定位精度，適用于ZigBee等短距離定位場合。

2.2 精確測距與定位

UWB定位系統(tǒng)多采用極窄的高斯脈沖信號(hào)，脈沖寬度通常低于0.5ns，定位精度非常高。通常，UWB定位系統(tǒng)設(shè)定幾個(gè)定位參考節(jié)點(diǎn)，接收數(shù)量眾多的被測點(diǎn)發(fā)出的高斯脈沖信號(hào)，各被測點(diǎn)由PN碼序列區(qū)分，處理接收到的脈沖序列可得到接收時(shí)間，即得到被測點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的距離。

要定位一個(gè)三維坐標(biāo)，至少需要4個(gè)參考點(diǎn)，建立4個(gè)方程進(jìn)行直接計(jì)算，求解此四元二次方程組，可得被測點(diǎn)坐標(biāo)。將各方程相減，則可消去未知參量to，同時(shí)減少一個(gè)有效方程，實(shí)現(xiàn)TDOA算法。測量誤差及參考節(jié)點(diǎn)的位置對(duì)方程組有較大影響，可能出現(xiàn)無解或迭代溢出的情況。為了提高有解的概率，可設(shè)定5個(gè)參考點(diǎn)，根據(jù)不同組合得到5組解，從中選取最優(yōu)解。也可選擇4個(gè)接收信號(hào)功率最高的參考節(jié)點(diǎn)聯(lián)立方程組。實(shí)驗(yàn)表明，5選4算法可將定位精度提高27%，若進(jìn)一步增加參考基站，定位精度提高不明顯，反而會(huì)使系統(tǒng)更復(fù)雜。因此，要獲得更高的定位精度，不能只依靠增加參考基站。實(shí)際應(yīng)用中，參考基站一般采用5選4算法為宜。

2.3 定位網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

定位節(jié)點(diǎn)（設(shè)備）可分為完整功能節(jié)點(diǎn)（FFD）和簡化功能節(jié)點(diǎn)（RFD）。FFD能與多個(gè)RFD以及相鄰的FFD進(jìn)行會(huì)話，RFD定制非常簡單，僅能與一個(gè)FFD會(huì)話。定位協(xié)議也可分為兩類[5]：基于錨（anchor-based）的協(xié)議和無錨（anchor-free）協(xié)議。基于錨的協(xié)議假定網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)集（參考節(jié)點(diǎn)或錨節(jié)點(diǎn)）在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)已知相對(duì)或絕對(duì)位置，需要外在的定位系統(tǒng)（一般使用GPS）提供每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的位置。GPS終端可測定錨節(jié)點(diǎn)的位置，并提供一個(gè)全球坐標(biāo)系，與定位協(xié)議相關(guān)的信令流量較低，但存在稀疏錨節(jié)點(diǎn)問題和測距誤差問題，GPS本身的定位精度有限，以致產(chǎn)生較大定位誤差。

基于錨的TDOA定位模式主要有兩種：a.由參考節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)，被測節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這種方式與GPS定位類似，增加了被測節(jié)點(diǎn)的電池能耗，大大減少了使用壽命。b.由被測節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)，各基站（參考節(jié)點(diǎn)）負(fù)責(zé)接收，傳送到中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，得到被測點(diǎn)的精確坐標(biāo)，適合節(jié)點(diǎn)小型化、簡單化的要求，目前討論最多且已投入運(yùn)行。它又有兩類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：其一是被測點(diǎn)為RFD，參考節(jié)點(diǎn)為FFD，預(yù)先在定位現(xiàn)場選擇適當(dāng)?shù)奈恢媒ㄔO(shè)基站，并測定好坐標(biāo)，基站可測量范圍即網(wǎng)絡(luò)工作區(qū)域，多數(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎么四Ｊ健?/p>

3 結(jié)束語

經(jīng)過前文總結(jié)，我們不難發(fā)現(xiàn)，超寬帶技術(shù)在諸多無限定位技術(shù)當(dāng)中的優(yōu)勢非常明顯，可以用于無線定位需求的滿足，在未來有著廣闊的應(yīng)用前景。除此之外，和常規(guī)的wlan技術(shù)相比起來，UWB也可以很好地將通信技術(shù)融合到定位當(dāng)中，在短距離范圍內(nèi)，UWB技術(shù)也可以在定位領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更長遠(yuǎn)的發(fā)展?，F(xiàn)在無限定位技術(shù)雖然已經(jīng)得到了一定的探索，但其應(yīng)用水平的不足仍然是不爭的事實(shí)，這就需要我們進(jìn)一步探索，來拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。本文針對(duì)這些問題進(jìn)行了簡要分析，希望可以給相關(guān)工作的開展提供一些參考。

參考文獻(xiàn)

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