基于超宽带的室内定位技术

李自良，韩 笑，李 硕，袁保合

（华北水利水电大学，郑州 450045）

随着信息化时代的深入，信息产业的各行各业都呈现出蓬勃发展的趋势。“位置”作为一类信息开始被人们所关注，尤其是随着无线定位技术的快速发展，使得这一类信息可被广泛使用于日常生活中，促使了许多依赖位置的服务产生。超宽带技术凭借其定位精度高、多径分辨率高、传输速度快、穿透能力强、发射功率小、系统复杂度低等优点成为众多无线室内定位中最具发展前景的技术之一。

1 超宽带技术

超宽带（UWB）技术最早使用在包括军用雷达和遥感等军事领域中。21世纪初，FCC认可超宽带技术可以应用于民用领域。超宽带（UWB）定义如下：

即相对带宽大于20%或者绝对带宽大于500MHz。fH、fL指信号功率谱密度的峰值衰减10dB时所对应的上下限频率。

UWB不需要传统通信中的载波，通过发送和接收窄脉冲来传输信息，使得其带宽非常大，可以达到GHz。

基于超宽带技术的室内定位系统采用基带窄脉冲方式，具有较强的穿透障碍物能力，能够满足室内复杂环境的要求，同时由于超宽带时间分辨率小于1ns，可以在保持通信的同时实现厘米级别的定位精度。

2 超宽带室内定位原理

为了实现精确定位，无线定位系统必须首先获得定位解所需的参数，然后根据这些参数构造相应的求解模型，然后利用求解模型来求得目标的位置。因为超宽带具有很高的时间和空间的分辨率，所以可以准确地获取目标的时间和角度信息，并将时间转化为距离信息，从而求得目标的位置。

基于UWB的定位技术通常采用测向和测距来实现定位，按照其测量参数的不同可分为4种方法：信号强度（RSS：Received Signal Strength）检测法、到达角度（AOA：Angle Of Arrival）定位法、到达时间（TOA/：Time Of Arrival）定位法、到达时间差（TDOA ：Time Difference Of Arrival）定位法。

2.1 信号强度检测法（RSS）和到达角度定位法（AOA）

基于RSS的检测方法取决于线损模型，节点间的距离也影响着其精度，而且其对信道环境很敏感，鲁棒性较差。此外，距离的估计与信号的带宽无关，因此不能充分利用UWB的大带宽。

基于AOA的检测方法需要多阵列天线或波束形成技术，造成了系统成本的增加，而且角度误差对定位精度影响远大于测距误差。

因此，AOA和AOA一般不是单独用作UWB定位，而是作为粗略定位的辅助手段。

2.2 到达时间定位法（TOA）

被测点发射信号给3个以上的参考节点，通过测量到达不同参考点所用的时间，得到发射点与参考点间的距离。然后以分别以三个参考点为圆心，被测点到各个参考点的距离为半径作圆，三个圆的交点即为目标的位置，即三圆确定一点。但是此方法要求参考点与被测点保持严格的时间同步，在大部分的场合难以满足。

2.3 到达时间差定位法（TDOA）

TDOA与TOA相比，TDOA获得的是时间差，使用双曲线交叉定位。该方法只需要参考节点之间的同步，不需要测量节点与参考节点之间的时间同步，使系统相对简化，所以在定位系统中应用最广。

3 系统组成

不同的定位方法有不同的系统组成，本文介绍一基于TDOA检测方法的典型的室内定位系统。

该室内定位系统分为标签、基站和中心处理器三部分。标签的位置未知，它过一段时间向基站发送一次定位信号；基站的位置已知且固定，它与中心处理器相连，基站与中心处理器之间的传输延时也已知。系统的主要工作流程如下：

（1）标签向基站发送定位信号。

（2）各个基站将接收到的标签发出的定位信号发送给中心处理器。

（3）中心处理器收到传输的时间差，通过特定算法，推算出标签位置。

下面对系统的数据处理过程进行介绍。标签发射电路的时钟读出储存器中的伪随机调制编码信息，用来控制电路中的脉冲间隔的变换。经过伪随机码调制的时钟序列激励窄脉冲产生电路产生窄脉冲，窄脉冲通过天线发射出去。接收机在系统时钟控制下接收标签电路发射的窄脉冲信号。因为电磁波辐射的过程中，会混杂入各种噪声，所以必须进行滤波处理。其次，还需要进行等效采样，进行筛选，获得有效的信息。最后中心处理器将获得的有效信息经过算法，得到目标的位置。简而言之，超宽带定位系统通过产生、发射、接收和处理超宽带信号来进行定位。

4 存在的问题和未来前景

超宽带系统中存在很多误差来源，比如非视距影响、噪声影响、参考节点之间的不同步和求解方程带来的误差等。

超宽带技术虽然具有诸多优点，但是目前国内外的技术都还不成熟。但是随着目前物联网技术的火热发展，人们对位置精度的需求也越来越高，基于超宽带的室内定位由于其高精度的定位，一定可以广泛应用。