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摘要：9月11日凌晨1点，苹果新一代iPhone11发布会，其关键创新之一：支持UWB高精度室内定位。传统的室内定位如红外线、RFID、蓝牙等技术,在系统成本、定位精度、复杂度、稳定性等方面不能满足用户需求。在这样的背景下,超宽带(Ultra Wide Band,UWB)定位技术引起了人们的重视。UWB技术具有高通信能力、抗多路径、穿透能力强、高时间分辨率等优点,因此是室内高精度定位的较好选择。 一、先罗列一下UWB的几个特点，再讲原理： ＵＷＢ技术和其它传统无线技术相比，拥有极大的带宽，频率从3.1ＧＨｚ到10.6ＧＨｚ（由美国联邦通信委员会定义，简称FCC），均为其所使用，所以可在信噪比（ＳＮR）非常低的状态下工作；此外，ＵＷＢ脉冲具有极低的功率谱密度，使其具有很高的时间分辨率和良好的抗多路径能力；同时ＵＷＢ具有纳秒甚至亚纳纳秒级的脉冲宽度，根据窄化冲的特点，ＵＷＢ具有很强的穿透能力，所以从理论上而言，利用ＵＷＢ进行定位能够达到厘米级的定位精度。ＵＷＢ系统在定位精度、抗多路径干扰、穿透能力、功耗等方面有着很大的优势。 1、系统容量大 香农公式给出C=Blog2(1+S/N)可以看出，带宽增加使信道容量的提高远远大于信号功率上升所带来的效应，这一点也正是提出超宽带技术的理论机理。 2、定位精确： 精度最高可达2厘米，一般精度在15厘米内。冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，可在室内和地下进行精确定位，而GPS定位系统只能工作在GPS定位卫星的可视范围之内。与GPS提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级。 3、多径分辨能力强 实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10～30dB的多径环境，UWB信号的衰落最多不到5dB。 4、隐蔽性好 UWB的频谱非常宽，能量密度非常低，因此信息传输安全性高。另一方面，由于能量密度低，UWB设备对于其他设备的干扰就非常低。 5、高速的数据传输 一般情况下，其最大数据传输速度可以达到几百兆比特每秒到吉比特每秒。 6、抗干扰能力强 UWB的占空比一般为0.01～0.001，具有比其他扩频系统高得多的处理增益，抗干扰能力强。一般来说，UWB抗干扰处理增益在50dB以上。 7、低成本和低功耗 由于UWB信号无需载波，而是使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20～1.5ns之间，有很低的占空因数，所以它只需要很低的电源功率。一般UWB系统只需要50～70mW的电源，是蓝牙技术的十分之一。 二、ＵＷＢ室内定位技术面临的难题 在室内环境下，尽管UWB系统具有很强的抗多路径能力，但也不是完全不受多路径影响。在室内，极端信号传播情况会引起大量的多路径，导致传播时延持续数毫秒至几十毫秒。如果用快速脉冲调制技术（例如PPM）进行有效均衡，则成本会很高。 三、ＵＷＢ的分类 UWB被广泛的分为两类，一类是短脉冲UWB（例如，纳秒长度高斯脉冲），一类是多载波UWB（例如，正交频分多路复用技术（OFDM））。对于FCC给定的限制，基于脉冲的方法能够有效利用频谱。 四、ＵＷＢ的应用 随着UWB定位技术的日益完善、物联网科技的快速发展，医院、机场、化工厂、隧道、养老院等场所对于定位的需求也逐渐增多。医院希望对医疗设备进行实时定位，便于需要时快速调用；希望能对特殊病患进行定位监护，防止其发生意外。高危化工厂需要对人员进行定位管理，防止发生安全事故等。可以说，室内定位在化工、电力、医疗等行业均展现出了广阔的市场前景。 针对不同行业对定位功能的需求不同，恒高科技提出了适用于不同行业的室内定位解决方案，并且提供了实时位置信息监控、智能巡检、静态/动态电子围栏、行为监测、寻呼报警等位置服务功能，确保了企业生产工作的安全和运维工作的效率。 五、UWB室内定位基站布置原则 1、零维定位也叫存在性检测。区域内安装1台定位基站，可实现区域内人员的存在性检测和统计，适用于小型房间等区域。 2、一维定位 一维定位就是测距应用，适用于隧道、矿井、巷道等对定位精度不高的场景，精度在0.3米左右。巷道定位只需要定位目标在这个巷道的相对位置，一般会忽略巷道的宽度。 3、 二维定位 二维定位需要确定空间的x、y坐标，通过三个以上的基站，确定区域内的标签的位置，可以得出基站的二维坐标。 4、 三维定位 实现三维定位，需要求出被定位标签的三维坐标（x,y,z）。在基站架设的时候，需要特别拉开z轴的高度差，以确保在z轴上的精确度。这里介绍实现三维定位的TDOA方式。 TDOA定位是一种利用时间差进行定位的方法。通过比较信号到达各个基站的时间差，就能作出以基站为焦点，距离差为常数的双曲线，双曲线的交点就是标签信号的位置。这种方法必须要4个以上基站才能完成。 定位系统的功能不仅仅是对人员或物资定位，还提供了2D/3D实时位置显示、轨迹跟踪与回放、电子围栏、寻呼报警、行为分析、视频联动、智能巡检、电子点名与智能考勤等功能，可有效的帮助企业实现员工或物质的安全管理。 参考资料： 1、基于UWB的室内高精度定位方法研究与应用，张恒 2、浅谈UWB室内定位：基站布置原则、应用场景，liulianchoudoufu的博客 3、详解UWB室内高精度定位技术，北京华星智控 |
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