魏昕 冯锋

摘要：卫星定位技术（GPS）在日常生活中的普遍使用，使人们对室内定位的要求提高了。超宽带（UWB）是一种定位技术，穿透力强的特点能实现稳定的室内定位，而且根据UWB不同的定位算法来得到精确的定位精度。本文结合UWB使用场景和最新应用讨论UWB发展面临困难和研究热点，任何一个场景的物联网化解决方案都要基于物体的位置而实现。

关键词：超宽带;TOF;定位技术

中图分类号：TN925文献标码：A

文章编号：1009-3044（2020）22-0033-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

随着科技的发展与进步，卫星定位技术（CPS）在日常生活中的普遍使用，现在已经不满足于室外定位，在室内或有遮挡物的情况下，GPS因其特点而无法实现精准的室内定位服务。在现有的无线定位技术中，UWB技术在测距过程中载波信号具有高传输率、低功耗、抗干扰性强等优点且定位精度能够精确到厘米级别，使得UWB相对于Wi-Fi、蓝牙、RFID等无线射频定位有着不可比拟的优势，因此选取UWB作为室内定位的通信信号[1]。

1 UWB

超宽带（UWB）技术是一种无线载波通信技术，它在超宽的带宽上传输信号，产生极短脉冲的信号源来传输数据，所以频谱范围在3.5Ghz至4.5GHz的范围内才符合UWB信号，UWB实质上是很高的射频频率来达到高带宽的无线技术，对上升时间和下降时间都很短暂的脉冲进行调制。

2 UWB定位原理

目前，UWB定位一般采用基于距离的定位算法[2]。主要的算法是TOF测距、TDOA测距、AOA测距三种定位算法。

2.1 TOF定位算法

TOF（飞行时间）定位算法的核心为：在收到数据后开始测量收发设备间的信号传播时间，再用信号的传播速度和时间相乘，就可以得到两个设备之间的距离。保证TOF准确性的要点是精确计算信号的飞行时间，用单边双向测距可以得到设备间距离。单边双向过程如图1所示。

在计算设备A和B之间的距离时，只要算出飞行时间乘以光速即可，记录下A的发送时间和B的接收时间，在等待Treply后，记录下B的发送时间和接收时间，可根据公式算出信号的飞行时间。

2.2 TDOA定位算法

TDOA（到达时间差）定位算法的核心是：发送设备发出两种信号，比如射频信号和超声波信号，接收信号时分别记录不同信号的到达时间，并计算出TDOA的值，再通过乘以信号传播速度获得节点之间的距离。到达时间差△t可表示为：

公式（4）中，c1，c2为两种信号的传播速度，d为收发设备之间的距离。可以求得：

TDOA定位的精度很高，缺点是在非视距环境的影响及所用信号传播距离有限的情况下，测距精度会有很大的降低，同时该定位技术对设备的位置和功率也有特定的要求[3]。

2.3 AOA定位算法

AOA（基于到达角度）的定位算法是通过计算发送设备和接收设备之间的角度或者相对方位来估算两个设备之间的距离[4]。

AOA定位技术有两种：一是波束成形技术，是根据接收天线的角度变化，利用的是方向性天线的方向图，先对接收信号相位进行反转，再用波束成形技术得到此信号强度最高的方向，就是发送信号的方向。二是相位相干检测法，是根据接收天线的相位变化，用阵列天线或者很多接收机来算出每个天线接收信号的相位差，然后估算信号发送时的方向。

AOA定位大多数情况下需要利用阵列天线或者多个信号接收器来计算收发设备之间的角度信息。AOA定位除了提供距离信息还可以提供收发设备间的相对方位。基本原理如图2所示。

3 应用

UWB定位技术适用于特定的场景，如成本高、受到干扰情况多或定位区域面积大的问题则要考虑其他技术，所以采用UWB定位技术的关键是了解定位需求中的高精度性，考虑是否需要这么高的精度，且使用环境适合。

3.1 工厂人员定位

工厂定位分为人员定位和工厂物品定位。人员定位的内容是到岗时间，在岗情况，工作效率，定位需求对精度要求不大，在工厂内即可，但在现实情况下，参考人员在工作岗位的时间，判断工作效率是否达到一定标准，UWB在这方面优于其他定位技术。类似于通过位置情况来判断人员是否工作，都可以用UWB来实现工作效率的提升。还有对工厂的危险区，如变电站，化学物品，易燃易爆物等位置，对进人人员要进行严格要求，UWB的电子围栏功能十分适用，在无许可人员进入后进行警示。尤其是核电厂，对电子围栏按时间粒度、空间粒度划分，设置警报的不同临界值，其他的考勤、签到功能作为辅助手段使用。

3.2 隧道人员定位

隧道定位就是对施工人员位置的精确定位，隧道施工会发生塌方的现象，不确定工人的位置搜救十分困难，用UWB定位技术来实施救援方案则可减少塌方后工人的死亡率，定位的精度决定了搜救的困难程度，现在地铁的普及带来的施工问题同步增加，安排UWB技术的定位方案，只要出现意外情况，能最快的进行搜救，而且隧道位置宽广，安装的基站少，是很适用的部署场景。

3.3 仓储物流定位

仓储定位则是对叉车的定位，叉车操控在仓库复杂的环境中具有一定的危险性，仓库中物品的堆放容易造成视线遮挡，在转弯等位置易发生伤人、货物倒塌等事故，从安全生产的角度看，能通过物联网技术来避免事故发生，是切实可行且有必要的，其他的定位模式不能满足定位精度上的要求。

3.4 机场管理定位

在机场中，UWB定位技术可以通过移动端给登机人员提供机场路线，旅客可以快捷地找到候机区、登机口、行李存取处等，避免贻误航班。对机场管理方面，通过对UWB定位分析不同位置的旅客人员密集情况，能够让排队井然有序，减少旅客流量，减少机场拥堵的情况，还可以对登机口变化和起飞延后的情况发送通知，以及向候机旅客发送促销宣传活动信息等。在检查行李过程中，如果发现有可疑物品且无法确定，在物体上贴上UWB标签，对物品跟踪进行，系统实时监控，发现物品进入禁止区域，立刻发出警报信息。

4 结束语

2019年9月，iPhonell加入了UWB技术，除了定位跟踪之外，把自己iPhone指向其他人时，系统就会根据距离优先排序，让你更快速地空投文件，从而实现了iPhone能检测到其他物品在现实空间中的位置，这是在其他智能手机现在无法达到的。苹果公司在之后会出更多的周边设备如手表、耳机等植入UWB芯片，UWB技术植入手机，让很多UWB从业者看到空间感知技术快速发展的希望，UWB的产业链一会更加丰富和延伸。

UWB定位的市场范围广，适用场景多样化，许多危险作业行业开始高度重视，室内定位现在在逐渐商业化，由芯片厂家和位置服务提供商对UWB的大力发展和推动，在五年后UWB技术将会愈加普遍，行业将会在厂商和国家的需求下迎来更好的发展。

UWB在未来市场，无论是智慧校园、电子门禁、智能家具、自动驾驶、物品防丢、智慧安防还是AR/ VR，针对一个环境的物联网化解决方法都要基于物品的位置实现，UWB还有许多未探索的领域，基于UWB的高精度定位和不同行业的结合正在快速发展，这也是位置服务的真正价值所在。

參考文献：

[1]丁亚男，张旭，徐露.基于UWB的室内定位技术综述[Jl.智能计算机与应用，2019 （05）：91-94.

[2]孙利民，李建中，陈渝.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3]宋洋，超宽带室内定位技术研究[D].西安科技大学，2019.

[4]刘浩杰，改进的超宽带室内定位算法研究[D].西安：长安大学，2017.

[5]张鲁川，董磊.浅析UWB定位技术的应用[Jl.科技创新与应用，2015（19）：285.

[6]高思琪，孙建平.UWB定位技术的应用研究[J].仪器仪表用户，2019，26（3）：77-82.

【通联编辑：闻翔军】

基金项目：宁夏重点研发计划重点项目（2018BFG02003）

作者简介：魏昕（1996-），男，陕西延安人，硕士研究生，主要研究方向为物联网工程与应用;冯锋（1971-），男，宁夏银川人，博士，教授，硕士生导师，主要研究方向为信息系统工程、物联网技术及应用。