UWB室內定位技術

1 概述

UWB（Ultra Wide Band ）即超寬帶技術，它是一種無載波通信技術，利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，因此其所占的頻譜范圍很寬。傳統的定位技術是根據信號強弱來判別物體位置，信號強弱受外界影響較大，因此定位出的物體位置與實際位置的誤差也較大，定位精度不高，而UWB定位采用了寬帶脈沖通訊技術，具備極強的抗干擾能力，使定位誤差減小。UWB定位技術的出現填補了高精度定位領域的空白，它具有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統復雜度低、能提供厘米級的定位精度等優點。

2 UWB室內定位流程

（1）每個定位標簽以UWB脈沖重復不間斷發送數據幀；

（2）定位標簽發送的UWB脈沖串被定位基站接收；

（3）每個定位基站利用高敏度的短脈沖偵測器測量每個定位標簽的數據幀到達接收器天線的時間；

（4）定位引擎參考標簽發送過來的校準數據，確定標簽達到不同定位基站之間的時間差，并利用三點定位技術及優化算法來計算標簽位置。

（5）利用單基站定位一般采用AOA（(Angle of Arrival）算法，采用多基站定位多采用TDOA（Time difference of Arrival）算法。

3 UWB室內定位系統架構及功能

3.1 系統結構圖

UWB系統結構

3.2 主要設備及組件

3.2.1 UWB定位標簽

定位標簽為有源標簽，能做成不同的形態固定在物體、車輛或佩戴在人員身上使用，在不同應用環境下擁有多變性。它的定位精度最高可達到5-10cm，標簽發出的UWB脈沖信號，通過定位基站（定位傳感器）接收和傳輸。每一個標簽都有唯一的ID號，可通過這個ID號將定位的物體聯系起來，使定位基站（定位傳感器）通過標簽找到實際定位的位置。標簽傳輸信號持續時間很短，能夠允許成百上千的標簽同時定位。

UWB定位三防標簽

3.2.2 UWB定位基站

定位基站（定位傳感器）可以通過到達時間差（TDOA）測量技術，來確定標簽的位置，并將數據傳輸至網絡控制器及定位引擎軟件，定位精度達到厘米級。

UWB三防基站

3.2.4 定位引擎

定位引擎位于部署于定位服務器中，是定位算法實現的地方，并提供API與上層應用軟件調用。

3.2.5 上層應用軟件

上層應用軟件主要體現為系統功能。UWB室內定位系統基本功能可包括：

人員分布顯示：佩戴定位標簽的人員分布情況。

人員移動軌跡：通過電子地圖實時顯示一個或多個人員移動軌跡。

跟蹤指定人員：地圖隨著標簽的移動自動切換，將鼠標移到標簽上可以看到標簽的當前狀態。

電子圍欄：通過平面電子地圖上不同顏色和形狀顯示人員的報警位置狀態。

4 UWB技術特點

UWB技術應用于室內定位，具有以下特點：

（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的效應，這一點也正是提出超寬帶技術的理論機理。超寬帶無線電系統用戶數量大大高于3G系統。

（2）數據傳輸速度快

UWB系統使用上吉赫茲的超寬頻帶，根據香農信道容量公式，即使把發送信號功率密度控制得很低，也可以實現高的信息速率。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間上不易重疊，很容易分離出多徑分量，所以能充分利用發射信號的能量。實驗表明，對常規無線電信號多徑衰落深達10～30dB的多徑環境，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，采用超寬帶無線電通信，可在室內和地下進行精確定位，精度最高可達2厘米，一般精度在15厘米內。而GPS定位系統只能工作在GPS定位衛星的可視范圍之內。與GPS提供絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對位置，其定位精度可達厘米級。

（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送每個比特所用的脈沖數。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。一般來說，UWB抗干擾處理增益在50dB以上。

（7）低功耗

UWB無線通信系統接收機沒有本振、功放、鎖相環(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、混頻器等，因而結構簡單，設備成本將很低。由于UWB信號無需載波，而是使用間歇的脈沖來發送數據，脈沖持續時間很短，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，是藍牙技術的十分之一。

本文由銥微云UWB室內定位系統小編整理發布，銥微云物聯網專業提供UWB定位、UWB室內人員定位、室內人員定位、超寬帶室內定位、二維定位、UWB高精度人員定位、室內定位系統、uwb定位系統、高精度人員定位系統等產品及整體解決方案，提供定位基站、定位標簽的免費詢價和技術方案。

審核編輯 黃昊宇