UWB定位技术的由来

UWB (超宽带)技术最早诞生于无线通信领域，该新兴技术出现就备受关注。UWB信号有着极大的带宽，其时间分辨率高、抗多径效应能力强，被认为是高速率短距离无线通信中具有很强竞争力的候选方案之一。为此，本章寻根溯源，从UWB无线通信技术木身的特点出发，阐述UWB无线定位技术的由来、现状和发展演化历程:从标准和规范角度，介绍其国际标准、规范以及各国和机构对UWB定位技术的无线电频谱的分配首页-雄知科技。

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UWB 定位技术现状

UWB 技术的由来

UWB信号作为冲激脉冲信号，其时间分辨率精度理论.上能达到厘米级甚至毫米级定位精度。但在实际应用和测试实验中，受外界因素的干扰和设备本身工艺的原因，最初UWB室内定位系统的定位精度大致在分米级。通常情况下，研究人员把定位的外界因素误差来源归为两个方面:第一是多径效应。由于多径分量会影响到直射路径(Direct Path, DP)的检测，影响TOA的估计误差，因而针对多径效应进行参数建模意义重大。第二是非视距( Non Line of Sight, NLOS)影响。非视距情况下，DP 不一定是多径分量中的信号最强路径(Strongest Path, SP)，关于NLOS的鉴别和NLOS环境中其他定位方式方法的研究也成了一种趋势。在室内环境复杂的情况下对定位精度而言，外界因素问题相比于设备自身工艺问题有着更重大的影响，因此大部分研究人员在抗多径和非视距补偿方面做了大量研究。随着外界因素影响的减小，设备自身工艺带来的误差不容忽视，但对于该方面研究的人员还屈指可数。对于UWB室内定位技术而言，向着厘米级甚至毫米级定位精度发展的过程中，对于设备自身误差的标定是一项必不可少的过程。在实际测试过程中，通过后期的数据处理来解决特定环境下的UWB室内定位系统的定位精度成为市场上常用的调试方案。该方法忽略了系统自身存在的误差，片面地利用最终的定位数据准确度去调整环境参数，得到的效果往往也不尽如人意，这也使得实际应用场景下精度无法产生较大的突破。

三角定位原理图

UWB 技术的发展

UWB定位技术是一项新兴的定位技术。 20 世纪90年代，南加州大学的MoeZ. Win 证明了UWB信号在密集多径环境下有较强的抗干扰性，对多径衰减也有着一一定的抗性:0。 199年Kaveh Pahlavan领导的研究小组开始进行精确室内定位的基础性研究，对宽带信号在室内的传播进行建模，该研究引起了包括诺基亚在内的其他组织的注意。J. Werb在1998年设计了第一套针对室内定位的系统，频段在2.4G,带宽为40MHz。2001 年7月，MSSI公司完成了其长距离超宽带无线电地面波收发信机的首次现场测试。这套为海军设计的系统不仅能提供在60海里的非视距范围内在船与船、船与岸之间提供30帧/秒的视频传输，还能完成在城市峡谷中的分布式传感器网络通信。同年，MSSI 为美国海军部门提供了基于UWB定位技术的精确定位系统( Precision Asset Location Sys-tem, PALS),该系统能在复杂环境下完成对用户的识别和定位。2002 年Joon-Yong Lee通过实验验证了UWB 在密集多径环境下的测试方案，取得了良好的效果。2005年Gezici分析指出了UWB技术在定位问题上的可行性，并论述了UWB测距、定位的性能下界，指出基于时间到达估计的定位方式是最具潜力和高精度定位的。之后，有关UWB定位技术的文章络绎不绝地出现在各大期刊会议中。UWB定位技术的研究在欧美等西方国家也被广泛关注。市场上较为常见的有Ubisense 公司推出的UWB室内定位模块。以色列的Wisair 公司、美国的Intel公司等也研发了自己相应的UWB芯片。DecaWave 公司开发一系列名为ScenSor的集成电路产品，能以极具竞争力的成本、极低的功耗和以往难以企及的精度(土10cm)和可靠性，识别人或物的具体位置。此外，这种芯片拥有高达6.8Mbit/s的数据通信能力，非常适合物联网应用及其他低功耗无线网络应用。旗舰芯片DW 1000适用于工厂与建筑自动化、医疗保健、EPOS与零售、机器人、仓储、汽车和消费等多种多样的市场，已获得全球2500 多家企业的青睐。在应用方面，Krishnan s等将UWB技术运用在室内机器人导航中，为机器人室内导航提供服务。Tiemann J等将UWB定位技术与无人车驾驶结合起来，用于补充在弱GPS信号环境中的车辆导航。通过与GPS技术的融合，弥补特殊环境下无人车的导航寻迹性能。Fall B等将UWB技术结合时间反演技术运用到铁路运输中的车辆定位，取得了一定的效果。 UWB室内定位技术作为室内定位中高精度的典型代表，多次在微软华办的微软室内定位大赛中崭露头角。作为占据微软室内定位大赛3D组半壁江山的UWB技术，面对复杂环境和变化因索有较强的适应性，复杂环境下最佳定位平均精度能达到0. 39m，我国关于发展UWB无线通信相关技术可追溯到2001年发布的“十五”国家863计划。2004年，国内研究人员在论文中对基于TDOA的UWB定位系统进行了实验，在存在读数和测量误差的情况下，良好环境下的定位精度已经达到数十厘米。之后，南京理工大学、西安电子科技大学、哈尔滨工业大学、中国科学技术大学等单位和机构对UWB定位技术展开了大量的研究和探索。目前大部分研究还是误差分析建模等理论研究，实际运用中大部分都是基于良好环境下的解决方案。在应用方面，将UWB定位技术运用于消防救援，能帮助救援员在环境复杂的室内事故现场确定位置。将UWB定位技术运用在监狱人员管理，协助狱警管理犯人、并且可预防越狱滋事等事故的发生。利用UWB技术对变电站作业人员的安全情况进行监控，确保人员处于安全范围以避免事故发生

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