物联网-UWB定位技术

一、UWB定位简介

1 UWB信号特征

传统通信方式使用的是连续波信号，即本地振荡器产生连续的高频载波。对于需要传送的信息通过一定的调制方式（如调幅，调频等方式）加载于载波之上，通过天线进行发送。现在的无线广播，4G通信，WIFI等都是采用该方式进行无线通信。下图是一个使用调幅方式传递语音信号的的连续波信号产生示意图。

而超宽带（Ultra-Wideband, UWB）技术，不需要产生连续的高频载波，仅仅需要产生一个时间间隔极短（小于nS）的脉冲，因此也称做脉冲无线电（Impulse Radio， IR），便可通过天线进行发送。需要传送信息可以通过改变脉冲的幅度、时间、相位进行加载，进而实现信息传输。下图是使用相位调制方式传输二进制归零码的IR-UWB信号产生示意图。

从频域上看，连续波信号将能量集中于一个窄频率内，而UWB信号带宽很大，同时在每个频点上功率很低，如下图所示。

在无线定位中，使用IR-UWB信号相对于窄带信号的主要优势：IR-UWB信号能准确分立无线传输中的首达信号和多径反射信号，而窄带信号不具备该能力。

实际的无线传输环境中，电磁波会受到例如墙面，金属等物体的反射，产生多径信号。精确定位的关键在于，接收节点能正确接收到发射节点所发送信号的直射路径。而接收节点往往不仅能接收到直射路径，还能接收到反射路径传播的信号，并且直射路径信号和反射路径信号是相加的关系。如果接收节点不能分离出接收信号中的直射路径，则接收节点定位的依据是直射路径信号和反射信号路径相加的结果，从而影响时间信息的获取，对定位精度造成影响，如下图所示。

如下图所示，如果使用连续波进行定位，其多径信号相加仍然是正弦波，接收机无法对实际信号分辨。

1.2 UWB离位预警

采用UWB无线定位技术对重要物品进行在位监控、离位报警，同时可利用卫星定位技术和移动通信网对离位情况进行定位追踪。

在固定位置安装无线定位基站（离位检测主机），在物品安装定位标签（离位电子标签），该标签可在指定范围内与基站定时通信，基站将其离位距离通过以太网传输至离位报警系统上。每个重要物品部署1个定位标签，与定位基站实时通信。当物品离开预定范围，定位基站检测不到标签或其位置信息时判定物品失联，自动向离位监控平台实时报警。

当标签处于定位基站的监控范围之内时，定位标签中的北斗定位单元处于休眠状态，一旦物品离位超出规定的范围，定位标签就会自动启动定位标签中的卫星定位模块。同时，报警系统发出离位报警，启动定位追踪流程。离位后的定位标签通过移动通信将卫星定位信息传输回离位报警系统，从而实现对失联物品的追踪。

定位标签上集成微型控制开关，当非法拆除装置内的电子标签时，自动触发报警。标签上最好是集成电量检测功能，当标签内电池电量过低时可以自动向值班室管理软件触发报警信息。

定位基站（离位检测主机）是高精度测距系统的重要组成部分，根据应用需求布设。定位基站对定位标签进行定位解算，一般可以实现上百米范围内的测距应用。

1.3 UWB定位方法

不同于物品离位预警，但定位基站就可以进行物品离位确认，要实现物品位置具体位置确认，需要涉及多个定位基站共同协作实现。

UWB定位方法可以分为TOA定位和TDOA定位两种。

TOA定位即圆定位，二维定位中需要使用三个定位基站。通过测量标签到三个定位基站的距离，形成三个圆，三个圆的交点即可确定标签的二维坐标，如下图所示。该方法实现过程中，需要测得定位标签与每个基站的距离信息，从而定位标签需要与每个基站进行来回通信。该定位方法对于标签功耗，标签并发数量不利，实际使用中更多的采用TDOA定位方法。

TDOA定位即双曲线定位，二维定位中需要使用4个定位基站。通过测量标签到每两个基站之间的距离差，形成4条双曲线，双曲线交点即可确定标签坐标，如下图所示。该方法实现过程中，标签只需要广播一次UWB信号即可，因此有利于标签的功耗及标签并发数量，在实际工程中也优先使用。

TDOA定位实现的难度在于，由于标签与基站之间是单向通信，若要获得准确的距离差信息，需要基站之间保持优于nS级的高精度时间同步。

1.4 定位技术的对比

项目/类别	WIFI	蓝牙	RFID	UWB
工作频段	2.4G/5G	2.4G	低频	3.1-10.6G
标准化	IEEE802.11a/b/g/n	IEEE802.15.1/BluetoothV1.0-4.0	ISO14443A	IEEE802.15.4-2011UWB
最大功耗	300mW	100mW	无源	1mW
覆盖范围	小于20m	小于20m	小于1m	30-100m
定位方法	基于RSSI的三点定位	基于RSSI的三点定位	区域定位	基于到达时间差(TDOA)或者飞行时间(TOF)的多点定位
定位精度	3-20m	3-20m	--	优于30cm
优点	成本低，可使用手机定位	成本低，可使用手机定位	无需电池供电，成本低	功耗低，精度高
缺点	定位精度差，复杂环境适应性差，功耗较高	定位精度差，复杂环境适应性差	无法进行实时精确定位	成本较高，系统复杂度高

1.5 UWB定位系统优势

定位精度能高于30cm；可以实现零位、一维、二维多种定位模式，采用二维定位，实现定位标签在二维平面精确位置可查；

在位识别的报警范围可达上百米，并可灵活设置多级警戒级别。

定位标签轨迹数据可存储、查询，历史位置数据可查看，轨迹平滑、连续，后期通过增加基站可实现精细化二维管控；

标签续航可达3个月以上，避免管理人员对标签频繁充电，降低管理成本；

定位标签与定位基站既可以一对一组网，也可以多对一组网，连接方式灵活。

定位标签体积小、重量轻，可根据具体安装对象设计不同的产品形态。

1.5 UWB定位关键技术问题

【1】定位问题

UWB定位的精确定位卡点：

1、时钟同步精度

TOA定位算法需目标节点与参考节点之间的精确时间同步，TDOA定位算法需参考节点之间精确时钟同步，因此，非精确的时间同步将导致UWB系统的定位误差。

2、多径传播

TOA估计算法中，经常用匹配滤波器输出最大值的时刻或相关最大值的时刻作为估计值。由于多径的存在，使相关峰值的位置有了漂移，从而估计值与实际值之间存在较大误差。

3、非视距传播

视距传播是得到准确的信号特征测量值的必要条件，当两个点之间不存在直接传播路径时，只有信号的反射和衍生成分能够达到接收端，此时第一个到达的脉冲的时间不能代表TOA的真实值，存在非视距误差。

4、多址干扰

在多用户环境下，其他用户的信号会干扰目标信号，从而降低了估计的准确性。减小这种干扰的一种方法就是把来自不同用户的信号从时间上分开，也即对不同节点使用不同的时隙进行传输。

UWB定位的精确定位通常手段：

UWB定位采用了宽带窄脉冲通讯技术（时间分辨率极高，使定位误差减小）、多源数据融合（有效提升定位系统的抗干扰能力）以及时间序列信号处理技术（在强多径复杂环境中，提取出首达路径信号），实现对定位目标的精准定位。

同时，采用碎步时钟同步方法，各个基站通过不断与其他基站、平台交换本队时钟信息，最终达到并且保持全局时间协调一致。同步方法依赖于UWB的测量时间精度，时间精度越高，时间误差越小，时间同步程度越高。

【2】位置服务

在定位的基础上，扩展了全面的位置服务功能，比如历史轨迹回放、人员考勤、区域限界、行为分析、智能巡检、视频联动等。这些基于位置数据的服务功能，能够协助管理人员对营区进行安全管理，可有效减少安全事故的发生。

除了进行离位告警、范围内定位外，还基于北斗导航定位系统，进行位置实时定位及移动轨迹电子地图展示，帮助用户实现离位定位追踪。

【3】低功耗问题

定位标签附着于定位对象的表面，当标签进入基站的信号覆盖范围内，即自动与基站建立联系。定位标签可根据应用需求制定不同的附着方案，如悬挂、粘贴等形式，大小和外形也会根据定位对象的不同而有所不同。接收机没有本振、功放、锁相环(PLL)、压控振荡器(VCO)、混频器等，因而结构简单，设备成本将很低。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定位系统只需要50～70mW的电源，是蓝牙技术的十分之一。

二、UWB定位方案简介

2.1系统框架

定位系统由无线传输层，主干传输层，服务层和应用层组成，如下图所示。

感知层：

感知层主要包括定位基站和定位标签。基站和标签是定位系统的核心设备，标签会按时隙广播携带有自身ID号的无线电信号，定位基站接收到标签发送的信号后，将接收到信号的时间戳和标签ID卡号通过主干网传输给服务层，完成对标签卡的定位，基站也可以接收到应用层下发的指令，完成相关的设置。

传输层：

传输层也称主干通信网（简称“主干网”），是基站与服务层、应用层之间的数据传输通道，向下将应用层相关指令传输给基站，向上将定位原始数据（标签与基站之间距离）传输给服务层，采用有线光纤方式进行数据传输。

服务层：

通过标签与覆盖该区域定位基站进行测距，顶层通过各基站的位置和标签距离，通过TDOA算法或者TOA算法解算出标签坐标。除此之外，服务层还提供了灵活的设备管理和网络管理功能，以及各项前端功能和应用接口。

应用层：

通过服务层获取定位标签的具体位置，以一维、二维或三维地图的形式实时显示标签的位置，并提供轨迹回放，人员信息管理和呼叫求救等功能。

此外，应用层还提供websocket接口和http接口，通过websocket接口可获取标签卡的实时位置数据，通过http接口可获取系统相关的数据，因此，该定位系统易于二次开发和集成。

2.2部署结构

系统物理部署结构下图所示，即在定位区域布设定位基站，定位基站通过WIFI或者以太网实现与后台服务器通信。

2.3 UWB定位系统功能汇总

系统采用BS价格，可在任何电脑上通过浏览器访问系统；
系统可提供手机APP终端，可支持在任何有网络的地方查看定位系统；
2维、 3维地图实时显示员工和物资位置，实时分布与人员信息，且为管理和应急事件供人员和物资的调度依据；
智能巡检，根据巡检任务，匹配巡检人员与巡检路线，巡检、出入（包括员工、访客、陌生人等）进行记录，报表和图表统计显示；
实时轨迹跟踪，视频跟踪，可实时跟踪人员轨迹，在摄像头覆盖范围内时可以实时启动视频联动功能，对人员进行视频跟踪；
历史轨迹回放，包括人员和物资位置轨迹的回放，发生警报时视频监控拍摄的照片；
实时位置热力图分析、数据统计分析。
行为分析，可对人员的不带卡、聚众、长期不动、消失、脱岗等行为进行分析监控；
实时报警，对触发异常行为检测的事件进行报警，并能够集成现场广播，智能LED显示屏进行报警；
双向报警，可通过标签卡按键上发求救报警信息，也可通过系统下发撤离信息，撤离可以是指定人员也可以是区域撤离；
人员和物资的信息管理,系统可以对不同的人员信息进行分类管理；
智能考勤、点名，对人员自动进行随时随地的考勤、点名，生成考勤报表；
访客管理，访客信息等级、录入，对其活动区域限制等；
设备管理，基站设备实时状态监测，卡欠压等情况实时报警提醒；
标签卡集成智能二道门（RFID）门禁卡的功能；
支持与其他第三方安全系统及管理信息系统进行联动集成。