高精度室內定位技術(shù)——UWB

在分析室內定位的相關(guān)技術(shù)之前，我們先來(lái)了解一下定位是怎么工作的。定位的核心技術(shù)其實(shí)是測距。給定空間中已知三點(diǎn)的具體坐標，和一個(gè)未知點(diǎn)到三點(diǎn)的距離，即可算出未知點(diǎn)的坐標。這通常叫做 三邊測量定位算法。

三邊測量定位的幾何理解非常簡(jiǎn)單。

以三個(gè)已知點(diǎn)和距離作三個(gè)圓，他們交于同一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)的坐標就是測量點(diǎn)的坐標。然而這是一個(gè)理想情況，實(shí)際由于測量精度的限制，實(shí)際上他們通常 交不到一個(gè)點(diǎn)上 ，交出來(lái)的是一塊有面積的東西。這塊面積的大小就是定位精度。當然我們可以通過(guò) 更多組的測量 使得相交的面積進(jìn)一步減小以提高精度。

在這樣簡(jiǎn)單易行的算法的支持下，我們就將定位問(wèn)題 轉化為了測直線(xiàn)距離問(wèn)題，如何精確計算一個(gè)已知點(diǎn)到未知點(diǎn)的距離。GPS 的解決方案非常簡(jiǎn)單粗暴。GPS 的本質(zhì)是一個(gè) 授時(shí)系統，也就是告訴你衛星發(fā)出這個(gè)信號的時(shí)候是幾點(diǎn)幾分幾秒幾毫秒幾微秒。而從 GPS 到地面有一定距離，無(wú)線(xiàn)電波在空氣中以光速傳播，等傳到終端上是已經(jīng)過(guò)去了幾微秒，所以我們只要乘上光速就能知道終端到這顆星的距離了。

一個(gè)要克服的問(wèn)題是終端的時(shí)間并不一定很精確，但如果我們可以通過(guò)幾顆星之間 兩兩差值 來(lái)算出本地應該有的時(shí)間。通過(guò)十幾顆星一起授時(shí)進(jìn)行修正，最后能很好將精度控制住。提高精度的方法也很粗暴，提高授時(shí)精度即可。

這樣的模型放在室內定位的時(shí)候會(huì )遇到什么問(wèn)題呢？

• 1. 距離太短，時(shí)間難測
  

由于室內定位距離太短，要知道光速是 299,792,458 m/s，跑幾米的時(shí)間太短了，根本測不精準。所以如果想繼續通過(guò)授時(shí)的方法解決問(wèn)題，無(wú)線(xiàn)電波通常是不靠譜的。當然也不是沒(méi)有解決方案，比如速度慢得多的聲波，一個(gè)解決方案就是超聲波定位，這個(gè)可以是主動(dòng)等回波來(lái)測量，或者被動(dòng)授時(shí)測量，但超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大，設計起來(lái)非常捉急。

• 2. 信號遮擋，波長(cháng)難選

同樣無(wú)論用超聲還是無(wú)線(xiàn)電都會(huì )遇到這個(gè)問(wèn)題。波長(cháng)長(cháng)了，能繞過(guò)障礙物，但接收很困難，畢竟手機上不能捆個(gè)大鍋蓋（繞過(guò)障礙物 = 繞過(guò)終端設備）。波長(cháng)短了，信號很容易被遮擋，導致收不到信號。

現在的室內定位設備都是怎么工作的呢？

折中選擇一個(gè)頻率，使得不太容易被遮擋也比較好接收，這種選擇的話(huà)2.4GHz 或者 5GHz 的 Wi-Fi 或者藍牙信號就是可選的。這個(gè)頻率在一個(gè)合法的發(fā)射功率下距離不太大。這有一個(gè)好處：信號衰減很有規律，通過(guò)測量信號強度通常就可以估計出離發(fā)射源的距離了。

更重要的是 Wi-Fi 和藍牙都是手機上已經(jīng)集成好的模塊，可以降低硬件部署成本?，F在常見(jiàn)的 Wi-Fi 室內定位和 iBeacons 也是基于類(lèi)似的原理。而基于 ZigBee 協(xié)議的定位選擇了距離更短功耗更低的****來(lái)獲得更精確的定位，其本質(zhì)是類(lèi)似的。

這樣的方法目前已經(jīng)可以獲得室內幾米的定位精度，也就是說(shuō)可用的地步了。那么現在還有什么問(wèn)題要克服呢？

• 1. 多徑效應與測量精度

還是這個(gè)問(wèn)題，信號可能在室內多次反射，這樣得到的信號其實(shí)是不能正確測距的。相比 GPS 幾乎和地面沒(méi)有遮擋物的條件，室內房屋結構復雜，移動(dòng)的人、物品的擺放、墻壁、門(mén)都可能成為嚴重影響距離測量的因素。

當然如果像 ZigBee 這樣距離非常短的傳輸協(xié)議，其實(shí)受這種影響相對就會(huì )小一點(diǎn)，能提高精度?，F在像 Google 試圖從算法上提高精度并取得了一定成果，所以這個(gè)問(wèn)題并不太大。

• 2. 發(fā)射距離與部署成本

Wi-Fi 和藍牙發(fā)射距離很短意味著(zhù)要 大量部署設備，要完成一個(gè)商場(chǎng)室內定位設備的部署其成本其實(shí)相當高。如果當前應用的場(chǎng)景還不是很豐富的情況下，商家很少會(huì )主動(dòng)部署這樣的設備。雖然同樣是 Wi-Fi，不能再是單純覆蓋即可的思路，而是要每個(gè)點(diǎn)至少要能搜到四五個(gè) Wi-Fi 信號，成本相當高。ZigBee 的話(huà)由于其傳輸距離短，部署的成本會(huì )更高。

室內定位現狀：

當前市場(chǎng)對定位的需求越來(lái)越多，所以衍生出各種各樣的定位技術(shù)，幵根據丌同定 位信號不同用途分成不同的定位系統。如利用衛星無(wú)線(xiàn) RF 信號的 GPS、利用紅外和激光的光學(xué)定位、利用超聲和聲納的聲音定位、利用圖像處理和計算機視覺(jué)的視覺(jué)定位、利用陀螺原理的相對定位等等。 

其中，GPS 是目前應用最成功的定位技術(shù)，不過(guò)它也有一個(gè)很明顯的缺陷，就是在室內不能定位，而且一般民用的精度也不夠高（10m 左右），相對于室內定位的要求（1m 左右或更低）還有一段距離。目前室內無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)的研究相對集中在基于 RF 信號，并結合各種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絢技術(shù)如 ZigBee，超寬帶(Ultra-Wide Band，UWB)，Wi-Fi，藍牙， 射頻識別(Radio-frequency Identification，RFID)等定位技術(shù)的研究。

超寬帶技術(shù)（UWB） 超寬帶技術(shù)是與傳統通信技術(shù)有極大差異的通信無(wú)線(xiàn)新技 術(shù)。它不需要使用傳統通信體制中的載波，而是通過(guò)發(fā)送和接收具有納秒或納秒級以下 的極窄脈沖來(lái)傳輸數據，從而具有 3.1~10.6GHz 量級的帶寬。

目前，包括美國，日本， 加拿大等在內的國家都在研究這項技術(shù)，在無(wú)線(xiàn)室內定位領(lǐng)域具有良好的前景。UWB 技術(shù)是一種傳輸速率高（最高可達 1000Mbps 以上），發(fā)射功率較低，穿透能力較強并且是基于極窄脈沖的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，無(wú)載波。正是這些優(yōu)點(diǎn)，使它在室內定位領(lǐng)域 得到了較為精確的結果。

超寬帶室內定位技術(shù)常采用 TDOA 演示測距定位算法，就是通 過(guò)信號到達的時(shí)間差，通過(guò)雙曲線(xiàn)交叉來(lái)定位的超寬帶系統包括產(chǎn)生、収射、接收、處 理極窄脈沖信號的無(wú)線(xiàn)電系統。而超寬帶室內定位系統則包括 UWB 接收器、UWB 參考標簽和主動(dòng)UWB 標簽。

定位過(guò)程中由 UWB 接收器接收標簽發(fā)射的 UWB 信號，通過(guò)過(guò)濾電磁波傳輸過(guò)程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號，再通過(guò)中央處理單元進(jìn)行測距定位計算分析。

室內布局很多****（Anchor），可以獲取標簽（Tag）跟各個(gè)****的距離，根據這些測量的距離就可以對標簽（Tag）進(jìn)行定位，類(lèi)似GPS原理。如果我們再融合慣性傳感器和恰當的算法，就可以獲取相對于****（Anchor）更精確的定位信息。

超寬帶可用于室內精確定位，例如戰場(chǎng)士兵的位置發(fā)現、機器人運動(dòng)跟蹤等。超寬帶系統與傳統的窄帶系統相比，具有穿透力強、功耗低、抗干擾效果好、安全性高、系統復雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點(diǎn)。

因此，超寬帶技術(shù)可以應用于室內靜止或者移動(dòng)物體以及人的定位跟蹤與導航，且能提供十分精確的定位精度。定位精度：根據不同公司使用的技術(shù)手段或算法不同，精度可保持在0.1m~0.5m。

UWB具有以下特點(diǎn)

• 1 系統容量大

香農公式給出C=Blog2(1+S/N)可以看出，帶寬增加使信道容量的提高遠遠大于信號功率上升所帶來(lái)的效應，這一點(diǎn)也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機理。超寬帶無(wú)線(xiàn)電系統用戶(hù)數量大大高于3G系統。

• 2 高速的數據傳輸

UWB系統使用上吉赫茲的超寬頻帶，根據香農信道容量公式，即使把發(fā)送信號功率密度控制得很低，也可以實(shí)現高的信息速率。一般情況下，其最大數據傳輸速度可以達到幾百兆比特每秒到吉比特每秒。

• 3 多徑分辨能力強

UWB由于其極高的工作頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率，窄脈沖的多徑信號在時(shí)間上不易重疊，很容易分離出多徑分量，所以能充分利用發(fā)射信號的能量。實(shí)驗表明，對常規無(wú)線(xiàn)電信號多徑衰落深達10～30dB的多徑環(huán)境，UWB信號的衰落最多不到5dB。

• 4 隱蔽性好

因為UWB的頻譜非常寬，能量密度非常低，因此信息傳輸安全性高。另一方面，由于能量密度低，UWB設備對于其他設備的干擾就非常低。

• 5 定位精確

沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無(wú)線(xiàn)電通信，可在室內和地下進(jìn)行精確定位，精度最高可達2厘米，一般精度在15厘米內。

• 6 抗干擾能力強

UWB擴頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個(gè)比特所用的脈沖數。UWB的占空比一般為0.01～0.001，具有比其他擴頻系統高得多的處理增益，抗干擾能力強。一般來(lái)說(shuō)，UWB抗干擾處理增益在50dB以上。

• 7 低成本和低功耗

UWB無(wú)線(xiàn)通信系統接收機沒(méi)有本振、功放、鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、混頻器等，因而結構簡(jiǎn)單，設備成本將很低。由于UWB信號無(wú)需載波，而是使用間歇的脈沖來(lái)發(fā)送數據，脈沖持續時(shí)間很短，一般在0.20～1.5ns之間，有很低的占空因數，所以它只需要很低的電源功率。一般UWB系統只需要50～70mW的電源，是藍牙技術(shù)的十分之一。

無(wú)線(xiàn)UWB技術(shù)最基本的工作原理是發(fā)送和接收脈沖間隔嚴格受控的高斯單周期超短時(shí)脈沖，超短時(shí)單周期脈沖決定了信號的帶寬很寬，接收機直接用一級前端交叉相關(guān)器就把脈沖序列轉換成基帶信號，省去了傳統通信設備中的中頻級，極大地降低了設備復雜性。

無(wú)線(xiàn)UWB技術(shù)采用脈沖位置調制PPM單周期脈沖來(lái)攜帶信息和信道編碼，一般工作脈寬0.1-1.5ns (1納秒= 一億分之一秒)，重復周期在25-1000ns。

典型高斯單周期脈沖的時(shí)域和頻域

實(shí)際通信中使用一長(cháng)串的脈沖。圖3顯示了周期性重復的單脈沖的時(shí)域和頻域特性。頻譜中出現了強烈的能量尖峰，這是由于時(shí)域中信號重復的周期性造成了頻譜的離散化。這些尖峰將會(huì )對傳統無(wú)線(xiàn)電設備和信號構成干擾，而且這種十分規則的脈沖序列也沒(méi)有攜帶什么有用信息。改變時(shí)域的周期性可以減低這種尖峰，即采用脈沖位置調制PPM?！　?/span>

單周期脈沖序列的時(shí)、頻域特性

比如可以用每個(gè)脈沖出現位置超前或落后于標準時(shí)刻一個(gè)特定的時(shí)間δ來(lái)表示一個(gè)特定的信息。圖4是一個(gè)二進(jìn)制信息調制的示例。

PPM調制的示意圖

圖中調制前脈沖的平均周期和調制量δ的數值都極小。因此調制后在接收端需要用匹配濾波技術(shù)才能正確接收，即用交叉相關(guān)器在達到零相位差的時(shí)候就可以檢測到這些調制信息，哪怕信號電平低于周?chē)肼曤娖?。由圖還可見(jiàn)調制后降低了頻譜的尖峰幅度，之所以仍不夠十分平滑是因為時(shí)間位置偏移量不夠大，也不夠雜亂。

為了進(jìn)一步平滑信號頻譜，可以讓重復時(shí)間的位置偏移量δ大小不一，變化隨機，同時(shí)也為了在共同的信道比如空中取得自己專(zhuān)用的信道，即實(shí)現通信系統的多址，可以對一個(gè)相對長(cháng)的時(shí)間幀內的脈沖串按位置調制進(jìn)行編碼，特別是采用偽隨機序列編碼。接收端只有用同樣的編碼序列才能正確接收和解碼。圖4顯示了偽隨機時(shí)間調制編碼后的脈沖序列的波形和頻譜。

圖中頻譜已經(jīng)接近白噪聲頻譜，功率也小了許多，這就是偽隨機編碼產(chǎn)生的效果。適當地選擇碼組，保證組內各個(gè)碼字相互正交或接近正交，就可以實(shí)現碼分多址。

偽隨機時(shí)間調制編碼后的脈沖序列

基于無(wú)線(xiàn)UWB技術(shù)的系統采用相關(guān)接收技術(shù)，關(guān)鍵部件稱(chēng)為相關(guān)器（correlator）。相關(guān)器用準備好的模板波形乘以接收到的射頻信號，再積分就得到一個(gè)直流輸出電壓。相乘和積分只發(fā)生在脈沖持續時(shí)間內，間歇期則沒(méi)有。

處理過(guò)程一般在不到1ns的時(shí)間內完成。相關(guān)器實(shí)質(zhì)上是改進(jìn)了的延遲探測器，模板波形匹配時(shí)，相關(guān)器的輸出結果量度了接收到的單周期脈沖和模板波形的相對時(shí)間位置差。不同位置七個(gè)脈沖經(jīng)相關(guān)器后的波形****，750ns后的穩定波形是輸出結果。

值得注意的是，雖然UWB信號幾乎不對工作于同一頻率的無(wú)線(xiàn)設備造成干擾。但是所有帶內的無(wú)線(xiàn)電信號都是對UWB信號的干擾，無(wú)線(xiàn)UWB技術(shù)可以綜合運用偽隨機編碼和隨機脈沖位置調制以及相關(guān)解調技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題。