超宽带技术（UWB）的应用浅析

陈明进 张剑伟 王梦华 赵现昌

（1.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000;2.河南省遥感测绘院，河南 郑州 450003;3.河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450003）

超宽带技术（UWB）的应用浅析

陈明进1张剑伟2王梦华2赵现昌3

（1.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000;2.河南省遥感测绘院，河南 郑州 450003;3.河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450003）

超宽带技术（Ultra Wide Band,简称UWB）是目前高精度定位应用中最佳的物理层技术,具有结构相对简单、工程造价低廉、信道容量大、功耗低、保密性好、抗干扰能力强、数据传输速率高、多径辨别能力强、定位精度高、定位性能稳定、信号衰减较小、穿透力强等优点。本文介绍了UWB的基本概念、定位原理，从理论上解释了UWB的工作原理，重点阐述了UWB在智慧社区和智慧综合管廊项目中的应用情况，指出了UWB所面临的挑战和发展趋势。

超宽带技术（UWB）；概念；原理；应用现状

1 引言

室外定位已经趋于成熟，基于GPS和地图的位置服务已被大众广泛接受并得到普遍应用，迅速地成长为各种移动设备使用最多的应用之一。但基于位置服务（Location Based Service,简称LBS）的室内定位一直备受关注，技术的不够成熟依然是不争的事实。

作为室内精准定位的核心技术之一，超宽带技术（UWB）凭借其众多的优势在无线定位技术领域特别是室内短距离定位领域迸发出巨大的潜力。本文将重点阐述超宽带技术的应用现状及发展趋势。

2 超宽带技术的简介

2.1 UWB的概念

美国联邦通信委员会（FCC）将超宽带信号定义为：任何相对带宽不小于20%或者绝对带宽不小于500MHz并满足功率谱限制的信号。

超宽带技术是一种脉冲无线电技术，与传统的通信技术有很大差异。它不是利用载波信号来传输数据，而是通过收发信机之间的纳秒级极短脉冲来完成数据的传输[1]。

2.2 UWB的工作原理

UWB定位系统多采用以下三种定位原理实现厘米级定位：

（1）TOA（Time of Arrival）

该方法主要测量信号在基站和流动站之间的单程传播时间或来回传播时间，要求基站与流动站间的时钟同步。

TOA方法为多边定位模式。假设电磁波从流动站到基站的传播时间为t，电磁波的传播速度为c，则流动站位于以该基站为圆心，c×t为半径的圆上。故流动站的位置坐标应为这三个圆的交点。如图1所示。

图1 TOA定位原理示意图

（2）TDOA（Time Difference of Arrival）

该方法同样是测量信号到达时间，但使用到达时间差进行定位计算，好处在于利用双曲线交点来确定流动站位置，可以避免对基站和流动站的精确同步[2]。

通过TDOA测量，可以得到流动站到两个基站的距离之差，即流动站位于以两个基站为焦点的双曲线上。再引入第三个基站，便可得到两个以上双曲线方程，则双曲线的交点即为流动站的位置。如图2所示。

图2 TDOA定位原理示意图

（3）AOA（Angle of Angle）

该方法是指接收机通过天线阵列测出电磁波入射角度，包括测量基站信号到流动站的角度或者流动站信号到达基站的角度。每种方式均会产生从基站到流动站的方向线。由此得到两条方向线，其交点即为流动站位置。因此，本方法只需要两个基站即可确定流动站位置。如图3所示。

图3 AOA定位原理示意图

3 UWB应用案例之智慧综合管廊

3.1 案例简介

在我国大力推进城镇化建设的过程中，不少城市建造了用于集中敷设电力、给排水、通信、热力、广电、燃气等市政管线的地下综合管廊。但管线复杂、路径复杂、人工巡检、检修耗时耗力等难题，也严重影响了地下管廊的安全性和管理水平，因此提出了基于UWB室内定位技术的智慧综合管廊管理系统，实时定位管廊内人员，实时导航，智能预警，并为下一步的大数据整合与分析提供关键的基础数据支撑。

（1）实施环境：本工程是一个狭长的地下管廊。一般管廊的尺寸为：宽3m，高3m。

（2）定位需求：对管廊里的人员和设备进行实时精准定位，结合室内导航算法，达到智能巡检、安全管理等目的。

3.2 方案设计

（1）定位方案设计

根据管廊环境和定位需求，拟定使用一维模式对目标进行定位。一维模式常用在狭长的管道或者矿井环境中对人员的定位，主要是定位出目标所处狭长环境方向的位置。亦可根据客户需要使用精准二维定位等多种定位模式（以实际需求为准）。现以一维定位为例介绍布设方案。

（2）布设方案设计

使用高精度的UWB定位设备在管廊中进行线性布设，基站布设于管廊上方，通过光纤与服务器进行数据通信。

（3）施工方案设计

以1km管廊为例，每隔100m布设一个基站，大约需要布设11个基站。定位标签发送信号，基站接收到定位信号后通过光纤传至定位服务器，定位服务器解算出实时位置并在界面上显示，从而实现各项应用功能。

① 按设计方案架设基站；

② 为进入管廊的人员佩戴定位标签（帽夹式或工牌式定位标签），为管廊的物资设备配备物资标签，并根据标签标识输入人员和设备信息，实现数据共享；

③ 人员进入定位区域，定位标签通过定位基站将实时定位数据回传至后台管理中心，后台管理中心通过优化的UWB高精度定位算法，解算出人员和设备精确的实时位置信息及运动轨迹，并将位置信息叠加预设地图显示在监控大屏上；

④ 后台可实时查询目标的精准位置，为路径规划、重点区域巡查提供参考；

⑤ 管廊内被定位人员可通过移动终端（手机、平板等）实时查询自身位置，巡检/检修人员可实时上传巡检/检修情况；

⑥ 后台管理人员不仅可实时查询目标的实时运动轨迹，也可回访其历史轨迹，为工作责任划分、人员调配提供数据支撑；

⑦ 设置电子围栏，防止非授权作业、跨边界提醒与预警。

3.3 功能实现

（1）人员定位、轨迹回访、人员调配、人员考勤等功能；

（2）远程管理、分类管理、信息共享、多端查询等功能；

（3）三维展示：支持全方位、多视角的三维地图展示，增强用户体验效果；

（4）二次开发：提供标准接口，支持二次开发，与视频监控等子系统联动。

4 超宽带技术的应用难点

尽管UWB技术的精度在不断提高，设备成本在不断下降，但仍没有得到广泛的普及推广，主要存在以下难点：

（1）多变的外部环境

室内环境布局复杂多变，障碍物多，包括家具、行人和其他不确定因素等。同时，室内环境干扰源多，灯光、温度、声音等干扰源都会对定位造成一定影响。

（2）定位未知环境需技术突破

现阶段大部分室内定位技术都是基于对室内环境已有充分了解和认知，一些定位技术还需要提前布设基站（比如UWB），但实际应用中往往得不到环境信息和数据，或者定位基站受干扰、被破坏，如地震、火灾现场。突破对环境的依赖性也是室内定位的一个难点。

（3）成本与定位精度不可兼得

目前的高精度室内定位技术（比如UWB）均需要比较昂贵的额外辅助设备或前期大量的人工处理，这些都大大制约了该技术的推广普及。低成本的定位技术则在定位精度上无法达到理想要求。在提供高精度定位的基础上降低成本也是室内定位的一个方向。

随着室内定位技术的不断发展，高精度、低成本、普适的超宽带技术是未来的重点发展目标之一。综合利用各种定位技术，取长补短，实现定位融合，将是解决目前室内定位应用难点的可行方案。

5 结语

超宽带技术作为室内精准定位的核心技术之一，正成为各行业厘米级到米级高精度定位的首选。随着计算机视觉、5G移动通信网络、NB-IOT物联网等技术的纷至沓来，UWB必将克服硬件和安装的成本问题而大放异彩。在实现全空间（室内+室外）的无缝定位解决方案中，发挥其应有的举足轻重的作用。

[1]孙家可. 超宽带通信技术的研究现状与发展前景[J]. 信息通信,2014(6):258-259.

[2]鲁丹宇,高春利,刘浩然. 基于无线时钟同步的超宽带TDOA定位系统设计[J]. 节能,2017,36(1):66-68，75.

陈明进 (1981—),男，汉族，工程师，从事测绘地理信息工作。E-mail:94672038@qq.com