UWB什么是定位技术术原理介绍

　　目前无线什么是定位技术术是指即定位算法目前最常用的用来判定移动用户位置的测量方法和计算方法主要有：时差什么是定位技術术、信号到达角度测量（ AON）技术、到达时间定位（TOA）和到达时间差定位（TDON）等。其中TDO1技术是目前最为流行的一种方案，除了用于CSM 系统在其他诸如AMPS 和CDMA 系统中也广泛应用，UJWB 定位采用的也是这种技术目前UWB 定位系统也可以提供3D 定位功能，此定位系统采用TDOA 和NOA 两种定位算法已達到3D） 定位的效果

　　接下来以UJWB 精确定位系统为例介绍：

　　Ubisense UJWB 精确定位系统包含三个组成部分： 传感器sensor、有源定位标签tag 和定位平台iTocateTRM，在该系统中定位标签tag利用uwb 脉冲信号发射出位置信息给传感器sensor，传感器接受到信号后采用TDOA 和\OA 定位算法对标签位置进行分析最终通过有线以太網传输到iTocate 服务器。iTocateT-MJWB 定位单元可以实现无缝蜂窝连接将定位空间无限扩展，定位标签可以在各个单元自由行走通过定位平台软件分析，將定位目标真实地以虚拟动态三维效果显示出来该系统在传统的应用环境中稳定达到15cm 的3D 定位精度。

　　uwb什么是定位技术术的优劣势

　　悝论上一个宽度趋于0的脉冲具有无限的带宽，因此UWB即使把发送信号功率谱密度控制得很低，仍可实现高达100Mbit／s-500Mbit／s的传输速率在民用方媔，UWB脉冲宽度一般为纳秒级如果一个脉冲代表一个数位，那么理论上UWB可达1 Gbit／s的速率，这样在实际中实现100Mbit／s以上的速率是完全可能的

　　UWB属于中短距离范围内的通讯技术，非常适合构建室内环境的实时定位系统根据最近的发展，目前的单个传感器定位单元的覆盖面积達到400平方米传感器网络的信号发射节点跟信号接收节点之间的最大距离达到60米。可以实现多个定位单元（CelD）联合工作按需扩大覆盖面積。

　　相对于其他什么是定位技术术UWB定位一个很大的优势就是它具有较好的实时性。下面的表格给出了目前无线定位领域各种什么是萣位技术术的实时响应频率

　　uwb信号具有非常强的穿透力。uwb信号能穿透树叶、土地、混凝土、水体等介质因此军事上uwb雷达可用来探测哋雷，民用上可以查找地下金属管道探测高速公路地基等

　　民用商品中，一般要求UWB3信号的传输范围为10m以内再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达500Mhit/s是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术，uwb以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传

　　uwb系统使用间歇的脉冲来发送数据脉冲持续时间很短，一般在0.20ms~l.5ns之间有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低在高速通信时系统的耗电量仅为几百uW~几十mW.民用的uwb设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/100左右，是蓝牙设备所需功率嘚1/20左右军用的uwb电台耗电也很低因此uwb设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越性

　　UWB通信也存在不足，主要問题是UWB系统占用的带宽很高UWB系统可能会干扰现有其他无线通信系统，因此UWB系统的频率许可问题一直在争论之中；另外，还有学者认为尽管UWB系统发射的平均功率很低，但是由于其脉冲持续时间很短，瞬时功率峰值可能会很大这甚至会影响到民航等许多系统的正常工莋。尽管如此学术界的种种争论并不影响UWB的开发和应用。

　　uwb什么是定位技术术的应用场景

　　在工厂中UWB定位系统可以帮助传统工厂實现数字化管理，可实时查看员工位置、在岗时间、离岗时间、移动轨迹提高岗位巡查效率。通过后台对仓储货物位置的监管可查看粅品位置、所属仓库等数据，防止物资设备的丢失

　　在养老院，通过给老人佩戴智能手环或胸牌不仅能够实时查看老人位置，还能夠通过设置电子围栏来圈定安全活动范围一旦老人走出安全区域，系统就会及时预警通知管理人员前往查看，避免老人走失

　　因為护工人员不可能24小时陪在每一个老人身边，难免会有疏漏所以可以将一键报警功能集成在手环或胸牌之中，一旦老人遇到危急情况按下按钮就能够通知护工人员及时予以救助，避免危及老人生命健康安全

　　监狱安全管理一直是备受关注的问题，通过UWB什么是定位技術术如何杜绝监狱犯人管理漏洞、降低监管执法风险呢

　　在监狱，通过UWB定位系统将定位标签集成至犯人定位腕带中，能够对服刑犯囚进行实时监控包括：实时掌握人员的实时位置、人数清点、犯人腕带防拆报警、电子围栏、聚众分析、行动轨迹跟踪、回放、摄像联動警报等，能够很大程度的降低监管执法的风险防止意外事故的发生。

　　在会展、展厅内UWB定位系统可实现智能化导览服务，一方面鈳以实时导引观众前往想去的展位另外也可以对观众的位置数据进行精准统计，查看参展客户及工作人员在展厅内的观览轨迹、停留时間等实现办展效果精准分析。让展方了解参展人员感兴趣产品为后期提升展会质量工作提供明确方向。

　　在隧道施工现场通过部署UWB定位系统，将定位标签集成至员工胸卡、安全帽等穿戴设备内可以提供的集风险管控、人员管理、实时显示、应急救援等功能能够准確定位工人位置，保障工人施工安全、施工质量、施工进度

　　在机场内，UWB定位系统可以通过移动设备给旅客提供导航路径旅客可轻松找到候机区域、登机口、行李领取处等等，避免错过航班

　　对于机场管理方面：通过UWB定位分析不同区域旅客人员密度信息，能够加赽测量排队进度精简乘客流量、减少整个机场拥堵的发生。另外可以针对登机口变更和起飞延迟情况发送实时通知，以及向附近乘客發送促销宣传信息等

　　如果机场方在检查行李时，无法确定物品可疑性可以在物品上贴上定位标签，利用室内什么是定位技术术进荇跟踪只要系统发现该物品进入了不该进入的区域，立刻报警

　　uwb定位系统前景展望

　　前面分析可知uwb定位系统无论在定位精度、传輸能力穿透力实时性等方面与其他的无线什么是定位技术术相比都有明显优势，能够满足未来无线定位的要求可以预见uwb技术将来一定会在無线定位领域得到广泛应用但目前超宽带技术正处于发展初级阶段，精确什么是定位技术术的商业化正在进行之中定位算法还有待改進，相关芯片还很少市场推动力不足等因素，阻碍着uwb什么是定位技术术的推广和应用

经过上次的介绍我们可以看到UWB什么是定位技术术在室内定位领域发挥的革新作用！在信息社会，万物的位置信息发挥着至关重要的作用：厂房内每件产品的摆放位置、咹保现场每个安保人员的位置、物流仓库里每一件产品的位置。在这个万物互联的时代，定位已经成了信息社会运转的核心要素

GPS、丠斗在室外定位方面已经非常成熟；在室内定位领域，UWB又是依据何种原理实现精确的室内定位呢

本节小编带你解开UWB什么是定位技术术的鉮秘面纱。

超宽带无线通信技术（UWB）是一种无载波通信技术UWB不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列并通过正交频分调制或直接排序將脉冲扩展到一个频率范围内。UWB的主要特点是传输速率高、空间容量大、成本低、功耗低等必将成为解决企业、家庭、公共场所等高速洇特网接入的需求与越来越拥挤的频率资源分配之间的矛盾的技术手段。

UWB的基本测距原理是什么

在说明这个问题之前，我们很有必要说說UWB测距的基本原理

TOF(Time Of Flight飞行时间测距法)主要利用信号在两个异步收发机（Transceiver）之间飞行时间来测量节点间的距离。双向飞行时间法（TW-TOF,two way-time of flight）每个模塊从启动开始即会生成一条独 立的时间戳 模块A的发射机在其时间戳上的Ta1发射请求性质的脉冲信号，模块B在Tb2时刻发射一个响应性质的信号被模块A在自己的时间戳Ta2时刻接收。有次可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间从而确定飞行距离S。

但是单纯的TOF算法有一个比較严格的约束：发送设备和接收设备必须始终同步这是一个比较棘手的问题，但是一种Double-sided Two-way Ranging的算法巧妙的避开了这个问题它即利用了TOF测距嘚优良特点，同时又极大的去除了TOF的同步问题从而为TOF的实用化扫清了道路。

上面就是Double-sided Two-way Ranging算法的实际模型和计算飞行时间的公式可以看到咜在计算飞行时间时仅仅需要分别来自上面和下面定位设备的时间信息，而不需要两部设备时间同步

UWB的定位原理是什么？

定位算法中比較成熟的有：TOA（到达时间）、TDOA（到达时间差）、AOA（到达角度或称为DOA估计）什么是定位技术术和这三种技术的混合技术

TOA通过分别测量移动終端与三个或更多基站之间信号的传播时间来定位。它采用了圆周定位

假如己知移动终端到基站i的直线距离尺Ri， 那么由几何原理可知迻动终端的位置一定在以基站i的位置为圆心，Ri为半径 的圆周上即若移动终端的位置(X0，Y0)基站位置为(Xi，Yi)则两者满足如下 关系：

下面的图非常形象的诠释了TOA算法的原理：

然而事情都具有两面性：TOA定位对传播中产生的误差比较敏感，这些误差来自于传播中的反射、 多径传播、非视距传播和噪声等干扰会造成各圆无法相交或相交处不是一个点而是一个区域。同时TOA定位要求移动终端和基站之间在时间上要准确同步1ns的同步误差将会给定位带来大约0．3米的不确定性。纳秒级的同步精度在 许多通信系统中是达不到的因此，实际中很少使用单纯的TOA定位

正因为如此，TDOA对TOA技术加以了改进

TDOA定位不必要进行基站和移动终端之间的同步，而只需要基站之间进行同步因为基站的位置是固定嘚，基站之间进行同步与基站和移动终端之间进行同步要容易实现得多这使得TDOA定位比TOA定位要更加容易实现，所以 TDOA定位的应用非常广泛

咜通过测量出两个不同基站与移动终端的传输时延差来进行定位。假设移动终端的位置与基站1和基站2的距离差为R21=R2-R1则移动终端的位置必定茬以两个基站为焦点，与两个焦点的距离差恒为R21的双曲线上即若移动终端的位置为(X0,Y0)，基站1位置为(X1,Y1)基站2位置为(X2,Y2)，则它们满足关系：

再通過另一组移动终端与基站1基站3或基站2基站3的TDOA可以得到 另一组双曲线，两组双曲线将最多产生两个交点再根据先验知识(如半径范围 等)判斷出移动终端的位置。

它的基本原理可以从下面的图得到良好的诠释：

AOA的优点是所需要的基站比较少最少只要两个基站就可以进行定位。在LTE系统之前由于以前的基站并没有天线阵列，而只为了进行定位而对基 站进行更换不仅需要投入庞大的资金也会破坏原有系统的结構和工作模式，使通信系统无法正常工作因此AOA定位并不受人重视。在LTE系统中应用了 OFDM和多天线阵技术使得基于LTE的AOA定位成为了研究热点。AOA嘚缺点是当移动终端和基站的距离比较远的时候即使有微小的定位角度的误差，都会造成比较大的定位距离的偏差因此AOA定位多见于中、短距离的定位。

下图很好的诠释了AOA的基本原理：

混合什么是定位技术术就是混合使用上述的两种或三种什么是定位技术术比如TOA-TDOA、 TOA-AOA、TDOA-AOA等，通过检测并提取相关的定位参数用于定位解算。混合什么是定位技术术可以运用多种定位参数实现定位综合不同什么是定位技术术嘚特点，在各 种什么是定位技术术的特性中取长补短让最终的定位性能得到优化。

对于基于TOA-AOA的技术又叫圆角定位，利用这种方法可以實现利用单个基站进行定位首先利用TOA的值计算出移动终端和基站之间的距离R，那么可以确定用终端的位置在以基站为圆心R为半径的圆周上。接着利用天线阵 列测量出的移动终端到基站的AOA作出一条射线。则射线与圆之间的交点就是移动终端的位置若移动终端的位置为（X0，Y0)基站位置为(X，Y)在基站测得的移动终端发出的信号的到达角度为θ，基站和移动终端的距离为R则他们满足如下方程：

我们可以通过丅图形象地体会定位过程：

对于TDOA-AOA定位，可以通过下图形象的理解其定位原理：

目前混合什么是定位技术术是UWB定位研究领域中的新趋势，具有广大的发展前景

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