導(dǎo)語 |高德地圖、百度地圖、騰訊地圖等手機地圖上提供的定位導(dǎo)航、路況查詢、位置搜索等實用功能，極大方便了人們的生活，這背后有賴于智能手機提供的定位能力（GPS、蜂窩、WIFI等），目標(biāo)用戶主要是人。與此同時，近些年物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)終端連上了網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了人與物，甚至物與物之間的互連互通。隨著智能化要求的進一步提高和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的進一步拓展，除了互聯(lián)互通，解決“物在where”問題也越來越迫切，即IoT定位。本文將介紹一種厘米級的高精度IoT定位技術(shù) – UWB高精度定位，希望與大家一同交流。
一、什么是UWB
UWB（Ultra Wide Band，超寬帶）技術(shù)是一種新型的無線通信技術(shù)，其與傳統(tǒng)通信技術(shù)有很大的差異。
在傳統(tǒng)通信體制中，數(shù)據(jù)傳輸一般都需要使用載波來承載，UWB則不需要，取而代之的是通過發(fā)送和接收具有納秒甚至亞納秒級的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，一個信息比特可映射為數(shù)百個這樣的脈沖。
根據(jù)傅里葉時頻變換規(guī)則可知，單周期UWB脈沖時域?qū)挾仍蕉?，對?yīng)的頻域帶寬就越寬，這種納秒級時域脈沖信號，往往能產(chǎn)生具有GHz量級的頻域帶寬，如圖1所示。因此這種技術(shù)也稱UWB超寬帶技術(shù)（簡單來說就是帶寬非常大）。
正是這些納秒級的時域脈沖，使得UWB信號具有極高的時間分辨率，非常適合高精度定位。
圖1 UWB時域極短脈沖信號及頻譜
二、UWB定位的技術(shù)特點
1. 高精度
具有厘米級的高精度定位能力。UWB信號時域?qū)挾葮O窄，接收端在測量時，能獲得極高的時間分辨率，簡單講就是時間測量準(zhǔn)，這是實現(xiàn)高精度定位的基礎(chǔ)。
同時它還具有很強的抗多徑能力，不同方向到達的信號很難出現(xiàn)疊加干擾，這對高精度定位也非常有好處。
2. 低功耗
UWB系統(tǒng)使用周期性的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時間很短，一般在0.20ns～1.5ns之間，占空比非常低，省去了發(fā)送連續(xù)載波的大量功耗，因此功耗可以做到很低。
3. 高安全
UWB通信系統(tǒng)的物理層技術(shù)具有天然的安全性能，其帶寬大，發(fā)射功率譜密度比噪聲還要低，承載的信息淹沒在噪聲中，被截獲和干擾的概率非常低。反之，影響其他無線通信（如WIFI）的概率也非常低?？偨Y(jié)起來，就是自己既不干擾別人，別人也很難干擾自己。
4. 低成本
部署UWB定位系統(tǒng)，有一定的硬件采購成本，但UWB基站覆蓋范圍大，典型半徑達50-150米，同樣面積下，需部署的設(shè)備更少。同時，UWB系統(tǒng)一旦部署調(diào)試完畢，幾乎不用再改動，一次投入，可用10年，運營成本極低。
三、UWB定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
整個UWB定位系統(tǒng)主要包含四個部分：UWB定位標(biāo)簽、UWB定位基站、IoT定位平臺，以及應(yīng)用平臺，如下圖所示：
圖2 UWB定位系統(tǒng)組成
1. UWB定位標(biāo)簽
UWB定位標(biāo)簽攜帶在目標(biāo)人員和物資中，其周期性發(fā)送上行UWB定位脈沖信號，有工牌、安全帽、腕表等多種形態(tài)，適用于不同的應(yīng)用場景，具有低功耗、便攜、防水防塵等特點。
圖3典型UWB基站和標(biāo)簽
2. UWB定位基站
UWB定位基站固定安裝在環(huán)境四周，其接收測量UWB定位標(biāo)簽的脈沖信號以得到高精度的定位數(shù)據(jù)，具有室內(nèi)型、工業(yè)型、防爆型等多種形態(tài)，支持多種供電方式和數(shù)據(jù)接口。
3. IoT定位平臺
接收UWB定位基站的測量數(shù)據(jù)，完成高精度位置計算。圍繞高精度位置，還研發(fā)有熱力圖、電子圍欄、軌跡呈現(xiàn)，以及設(shè)備管理等實用功能，同時也提供用戶API，便于應(yīng)用側(cè)進行二次開發(fā)。
4. 應(yīng)用平臺
B端客戶借助IoT定位平臺提供的基礎(chǔ)定位能力拓展業(yè)務(wù)，助力企業(yè)智能運營、安全生產(chǎn)、降本增效。
在實際部署中，與智能手機在公共區(qū)域定位不同，UWB定位常常面向的是工廠、園區(qū)等生產(chǎn)制造場景，由于涉及到生產(chǎn)制造等核心企業(yè)環(huán)節(jié)，這類場景對定位精度的要求比手機定位要求高得多，通常需要在作業(yè)現(xiàn)場部署專門的定位網(wǎng)絡(luò)（含定位基站和定位標(biāo)簽）。
典型的定位網(wǎng)絡(luò)部署方案如下圖：
圖4 UWB定位網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)
UWB基站一般安裝在定位區(qū)域四周，位置是固定的，一般要安裝至少4個基站，基站位置和定位精度強相關(guān)，需要進行精確測量校正。
PoE交換機與各個基站連接，實現(xiàn)基站和IoT定位平臺之間的數(shù)據(jù)通信，也可以通過PoE方式給基站供電。
UWB標(biāo)簽一般是攜帶在人員或物資上，如工牌、手環(huán)、安全帽等，標(biāo)簽之間是相互獨立的?？傮w而言，安裝和部署都比較簡單方便。
四、UWB定位原理
前文提到，UWB信號脈沖時域?qū)挾葮O窄，具有非常高的時間分辨率，天然適合高精度定位。在UWB位置計算中應(yīng)用最廣泛的是到達時間差法（TDOA），即根據(jù)信號達到基站的時間差來進行定位，其原理如下圖所示：
圖5 UWB定位原理圖
UWB定位標(biāo)簽是可移動的被定位目標(biāo)，其向周圍發(fā)送納秒級的脈沖信號，固定安裝在周圍的UWB基站接收并測量上述脈沖信號，經(jīng)過濾波、滑動相關(guān)等運算，各自計算得到脈沖信號的到達時刻等定位測量信息。
上述定位測量和基站坐標(biāo)等信息作為TDOA等定位算法的輸入，IoT定位平臺完成對UWB標(biāo)簽的高精度位置計算，并以此為基礎(chǔ)，封裝設(shè)備管理、熱力圖、軌跡等多種實用功能，為應(yīng)用側(cè)提供服務(wù)。
TDOA要求基站之間保持時鐘同步，UWB基站同步精度非常精準(zhǔn)，可以達到0.1ns以內(nèi)。因此下面假設(shè)UWB基站之間時鐘是同步的，標(biāo)簽發(fā)送脈沖信號后，到達各個基站所需的時間是不一樣的，如圖6所示，分別是t1-t4，以基站1作為基準(zhǔn)，可以求得其他基站i與基站1的距離差分別為：
其中，c為光速。根據(jù)幾何規(guī)律，平面內(nèi)到兩定點的距離差的絕對值為定長的點的軌跡形成雙曲線。在這里，兩定點就是基站i與基站1，ri,1為定長的距離差，因此多條雙曲線的交點就是定位位置。
圖6 UWB信號時序圖
下面以2D定位為例進行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，設(shè)基站i的坐標(biāo)為(xi, yi)，1≤i≤M，目標(biāo)標(biāo)簽的坐標(biāo)為（x, y），標(biāo)簽到基站之間的距離：
則標(biāo)簽到基站i與基站1的TDOA（距離差）值為：
則，
帶入到（1）式，取平方可得：
做差并化簡，有
其中，令
作為待估計參數(shù)向量，將上式轉(zhuǎn)換為矩陣形式的方程組，
其中，
利用最小二乘法，得到的估計量為：
上面公式利用M-1個TDOA 測量值，構(gòu)成了M-1個雙曲線方程，求解此方程組即可得到標(biāo)簽坐標(biāo)。實際最終的結(jié)果，還要經(jīng)過濾波、匹配等復(fù)雜算法操作，這里就不一一展開了。
五、應(yīng)用場景
UWB定位主要面向2B領(lǐng)域，可廣泛應(yīng)用于智慧工廠、物流倉儲、智慧樓宇、智慧園區(qū)、建筑施工、數(shù)字機房、港口機場、電力能源、公檢法等場景，能深度參與到生產(chǎn)、運輸、監(jiān)管、安全等核心環(huán)節(jié)中，助力B端客戶高效運營和安全生產(chǎn)，實現(xiàn)降本增效，期待未來更廣泛多樣化的應(yīng)用。
圖7 UWB定位典型應(yīng)用場景
