UWB定位技術(shù)淺析

一、概念

超寬帶無線通信技術(shù)（UWB）是一種無載波通信技術(shù)，UWB不使用載波，而是使用短的能

量脈沖序列，并通過正交頻分調(diào)制或直接排序?qū)⒚}沖擴(kuò)展到一個頻率范圍內(nèi)。

傳統(tǒng)通信方式使用的是連續(xù)波信號，即本地振蕩器產(chǎn)生連續(xù)的高頻載波，需要傳送信息

通過例如調(diào)幅，調(diào)頻等方式加載于載波之上，通過天線進(jìn)行發(fā)送。現(xiàn)在的無線廣播，4G通信,

WIFI等都是采用該方式進(jìn)行無線通信。下圖是一個使用調(diào)幅方式傳遞語音信號的連續(xù)波信號

產(chǎn)生示意圖。

圖1連續(xù)波調(diào)幅信號

而IR-UWB信號，不需要產(chǎn)生連續(xù)的高頻載波，僅僅需要產(chǎn)生一個時間短至nS級以下的脈

沖，便可通過天線進(jìn)行發(fā)送。需要傳送信息可以通過改變脈沖的幅度，時間，相位進(jìn)行加載,

進(jìn)而實現(xiàn)信息傳輸。下圖是使用相位調(diào)制方式傳輸二進(jìn)制歸零碼的IR-UWB信號產(chǎn)生示意圖。

圖21R-UWB調(diào)相信號

從頻域上看，連續(xù)波信號將能量集中于一個窄頻率內(nèi)，而UWB信號帶寬很大，同時在每個

頻點上功率很低，如圖3所示。

pp

IR-UWB信號頻譜

圖3信號頻譜對比圖

在無線定位中，使用TR-UWB信號相對于窄帶信號的主要優(yōu)勢為，TR-UWB信號能準(zhǔn)確分立

無線傳輸中的首達(dá)信號和多徑反射信號，而窄帶信號不具備該能力。

主要有三種應(yīng)用：成像、通信與測量和車載雷達(dá)系統(tǒng)，再宏觀一點，可以分為定位、通

信和成像三種場景。

通信：因為大帶寬，所以UWB一度被認(rèn)為是USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線替代方案，藍(lán)牙的問題是

傳輸速度太慢。UWB還常用于軍用保密通信，這主要也是因為UYB脈沖的能量很低，很容易低

于噪聲門限，不容易被其它無線電系統(tǒng)監(jiān)聽到。

UWB通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號，能實現(xiàn)數(shù)百Mbit/s至2Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸

速率。而且具有穿透力強、功耗低、抗干擾效果好、安全性高、空間容量大、能精確定位等

諸多優(yōu)點，可以說是個超級“潛力股”，很有可能在將來成為家庭主用的無線傳輸技術(shù)。

成像：UWB系統(tǒng)的帶寬很寬，目前UWB穿墻雷達(dá)是很廣泛的應(yīng)用，具體做法是利用窄脈沖

傳過墻壁，獲得墻對面的回波，可以得到成像，成像誤差很低。

根據(jù)通信委員會的規(guī)范，UWB的工作頻帶為3.110.6GHz,系統(tǒng)TOdB帶寬與系統(tǒng)中心頻率

之比大于20%或系統(tǒng)帶寬至少為500MHz。LWB信號的發(fā)生可通過發(fā)射時間極短（如2ns）的窄脈

沖（如二次高斯脈沖）通過微分或混頻等上變頻方式調(diào)制到UWB工作頻段實現(xiàn)。

室內(nèi)定位之所以具有普遍適用性，與定位技術(shù)繁多是密不可分的。常見的室內(nèi)定位技術(shù)

有超聲波技術(shù)、紅外線定位技術(shù)、藍(lán)牙定位技術(shù)、WiFi定位技術(shù)、UWB（超寬帶）定位技術(shù)、

ZigBee定位技術(shù)、射頻技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、地磁定位技術(shù)、視覺定位等。

不同行業(yè)對定位精度的需求有所不同，所以使用的定位技術(shù)也不盡相同。其中，智能制

造、智能建設(shè)、養(yǎng)老醫(yī)療、公共安全、物流運輸?shù)刃袠I(yè)使用最多的就是UWB定位技術(shù)。

哪-TDOA定位原理：

該技術(shù)采用TDOA（到達(dá)時間差原理），利用LNB技術(shù)測得定位標(biāo)簽相對于兩個不同定位基

站之間無線電信號傳播的時間差，從而得出定位標(biāo)簽相對于四組定位基站（假設(shè)1#、2#為第

一組，2#、3#為第二組，3#、4#為第三組，4#、1#為第四組）的距離差：

式中di,12~di,14為UWB技術(shù)測得的定位卡相對于四組定位基站的距離差?；驹砣缦?/p>

圖所示:

風(fēng)身w?

圖4UWB-TDOA定位原理

通過聯(lián)接下式方程即可解算出定位卡的三維坐標(biāo)：

4.12=一七）2+（x—凹尸+（Z[-4）2-J（七一%）2+（為一州）2+（22-Zj）2

4,23=一西A+（必一其）2+92一%）2-J（6一七）2+（%—y）2+。3-4）2

4,34=一巧了+（丁3一%產(chǎn)十33-4）2-一七?十（”一切）~+（Z4-4產(chǎn)

4.41=\]（x4~xi）2+（y4-x）2+（z4-z/）2-J（X]一毛）2+（x-y）2+（Z]-z,）2

使用TDOA技術(shù)不需要定位標(biāo)簽與定位基站之間進(jìn)行往賃通信，只需要定位標(biāo)簽只發(fā)射或

只接收UWB信號，故能做到更高的定位動態(tài)和定位容量。

UWB超寬帶定位系統(tǒng)產(chǎn)品即使用UWB-TDOA技術(shù)實現(xiàn)了高精度、高動態(tài)、高容量、低功耗

的定位系統(tǒng)。

圖5UWB超寬帶定位現(xiàn)場定位示意圖

二,優(yōu)缺點

超寬帶的主要優(yōu)勢有，低功耗、對信道衰落（如多經(jīng)、非視距等信道）不敏感、抗干擾

能力強、不會對同一環(huán)境下的其他設(shè)備產(chǎn)生干擾、穿透性較強（能在穿透一堵磚墻的環(huán)境進(jìn)

行定位），具有很高的定位準(zhǔn)確度和定位精度。

UWB定位系統(tǒng)精度最高可到10cm,可對人員進(jìn)行實時精確定位，并集風(fēng)險管控、視頻聯(lián)動、

歷史軌跡回放、人員管理、電子圍欄、各種行為監(jiān)控、應(yīng)急救援等功能為一體，可幫助企業(yè)

解決以下行業(yè)痛點：

1、遠(yuǎn)程監(jiān)控

LMR定位系統(tǒng)可實時更新位置信息，實現(xiàn)人員或物資的實時精確定位.并且可以與視頻聯(lián)

動，對人員或物資進(jìn)行視頻跟蹤，隨時隨地觀察每個區(qū)域的現(xiàn)場情況，方便進(jìn)行實時管理，

有效保障人員與物資的安全。

2、風(fēng)險管理

高危行業(yè)，比如隧道、化工廠、礦井等，發(fā)生安全事故的概率較高；口忸定位系統(tǒng)可有效

地幫助企業(yè)實現(xiàn)風(fēng)險管理。我們可在危險區(qū)域或重要區(qū)域設(shè)置電子圍欄，對員工進(jìn)行權(quán)限管

理，防止員工誤入危險區(qū)；還可以對人員進(jìn)行各種行為監(jiān)測，包括超時監(jiān)測、聚眾監(jiān)測、不

動監(jiān)測等等，全方位智能化管理，提高管理質(zhì)量，減少安全事故的發(fā)生。

3、緊急應(yīng)變管理

當(dāng)發(fā)生安全事故時，人員可以使用隨身佩戴的定位終端設(shè)備進(jìn)行緊急求助。當(dāng)然，管理

人員也可對人員進(jìn)行尋呼，提醒員工注意或者下發(fā)撤離命令等；管理人員還可通過定位系統(tǒng)

查看所有人的位置信息，確保所有人員都離開了危險區(qū)。救援人員也可根據(jù)人員位置進(jìn)行

救援，提高救援效率。

4、客戶體驗管理

對企業(yè)而言，客戶到公司實地考察是不可避免的事?？蛻魧经h(huán)境不了解，隨意走動

容易誤闖危險區(qū)域。室內(nèi)定位系統(tǒng)可實時查看外來訪客的進(jìn)出時間、在某區(qū)域滯留時間、活

動軌跡等信息，并且我們可以設(shè)置電子圍欄，防止客戶私自進(jìn)入危險區(qū)域引發(fā)事故，實現(xiàn)對

訪客的精細(xì)化、數(shù)字化、智能化管理，提高客戶的考察體驗。

5、存貨物資管理

UWB定位系統(tǒng)還可對存貨物資進(jìn)行管理。比如，在整車倉儲中，想要尋找某一輛車是非常

費時費力的事。企業(yè)可對每輛車進(jìn)行定位，通過定位標(biāo)簽查看車輛位置信息，這樣尋找車

輛就容易很多。

6、銷售最優(yōu)化

根據(jù)室內(nèi)定位系統(tǒng)提供的人員位置信息，企業(yè)可對銷售模式進(jìn)行優(yōu)化，獲得更高的經(jīng)濟(jì)

收益。比如展廳展館中，展位位置分布不同，人流量也會受影響，定位系統(tǒng)可統(tǒng)計出每個展

位的人流量，展會承辦方就可根據(jù)位置數(shù)據(jù)調(diào)整每個展位的銷售價格。

缺點：

1、以規(guī)格的缺乏和隱私的疑慮為背景的室內(nèi)定位技術(shù)的低滲透

室內(nèi)定位系統(tǒng)依然沒有形成一個有力的組織來制定統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，現(xiàn)行的技術(shù)手段都

是在各個企業(yè)各自定義的私有協(xié)議和方案下發(fā)展。室內(nèi)定位應(yīng)用場景多樣化、碎片化，加之

沒有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，造成定位技術(shù)在各行?業(yè)中應(yīng)用難以深入，較大的制約了室內(nèi)定位的

發(fā)展。

部分人員對室內(nèi)定位系統(tǒng)存在疑慮，擔(dān)心定位系統(tǒng)中的實時位置顯示、視頻聯(lián)動等功能,

會侵犯自己的隱私。企業(yè)和個人對室內(nèi)定位認(rèn)可度低，導(dǎo)致室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)入市場受阻。

2、對室內(nèi)定位技術(shù)利用的興趣低

相比于發(fā)展了數(shù)十年的室外定位技術(shù)，室內(nèi)定位還處于導(dǎo)入期。大部分企業(yè)對室內(nèi)定位

應(yīng)用不了解，并未認(rèn)識到室內(nèi)定位對于人員、物資安全管理的重要性，導(dǎo)致UWB定位技術(shù)利用

率較低。各行業(yè)對于這一較新技術(shù)的認(rèn)識和采納、圍繞技術(shù)衍生各類新應(yīng)用的商業(yè)模式，都

需要一定的過程，所以存在相關(guān)市場啟動緩慢，相關(guān)公司短時間內(nèi)業(yè)績不達(dá)預(yù)期的風(fēng)險

綜上所述，傳統(tǒng)UWB的實現(xiàn)優(yōu)點是:

?理論上成本低

?定位距離精度高

?通信速度快（超大帶寬）

?抗多徑能力強

?功耗低（脈沖調(diào)制決定的）

?穿透能力強（寬頻譜）

缺點也很明顯：

?波束指向性強（需要波束明確指向接收源）

?通信距離短（口忸的授權(quán)頻譜有相當(dāng)多的現(xiàn)存通信設(shè)備，UWB設(shè)備功率需要低于一定門限才

能不影響其他通信系統(tǒng)）

?頻帶利用率低下（看看那占空比）

?產(chǎn)業(yè)相對不成熟（但是足夠商用了）

三、應(yīng)用場景

1、隧道管廊：

在隧道施工現(xiàn)場，通過部署UWB超寬帶定位系統(tǒng)，將定位標(biāo)簽集成至員工胸卡、安全帽等

穿戴設(shè)備內(nèi)，可以提供的集風(fēng)險管控、人員管理、實時顯示、應(yīng)急救援等功能能夠準(zhǔn)確定位

工人位置，保障工人施工安全、施工質(zhì)量、施工進(jìn)度。

2、工業(yè)制造：

在工廠中，UWB超寬帶定位系統(tǒng)可以幫助傳統(tǒng)工廠實現(xiàn)數(shù)字化管理，可實時查看員工位置、

在崗時間、離崗時間、移動軌跡，提高崗位巡查效率。通過后臺對倉儲貨物位置的監(jiān)管，可

查看物品位置、所屬倉庫等數(shù)據(jù)，防止物資設(shè)備的丟失。

3、司法監(jiān)獄：

監(jiān)獄安全管理一直是備受關(guān)注的問題，通過UWB超寬帶定位技術(shù)如何杜絕監(jiān)獄犯人管理漏

洞、降低監(jiān)管執(zhí)法風(fēng)險。在監(jiān)獄，通過。忸超寬帶定位系統(tǒng)，將定位標(biāo)簽集成至犯人定位腕帶

中，能夠?qū)Ψ谭溉诉M(jìn)行實時監(jiān)控。包括：實時掌握人員的實時位置、人數(shù)清點、犯人腕帶

防拆報警、電子圍欄、聚眾分析、行動軌跡跟蹤、回放、攝像聯(lián)動警報等，能夠很大程度的

降低監(jiān)管執(zhí)法的風(fēng)險，防止意外事故的發(fā)生。

4、養(yǎng)老院：

在養(yǎng)老院，通過給老人佩戴智能手環(huán)或胸牌，不僅能夠?qū)崟r查看老人位置，還能夠通過

設(shè)置電子圍欄來圈定安全活動范圍，一旦老人走出安全區(qū)域，系統(tǒng)就會及時預(yù)警，通知管理

人員前往查看，避免老人走失。因為護(hù)工人員不可能24小時陪在每一個老人身邊，難免會有

疏漏，所以可以將一鍵報警功能集成在手環(huán)或胸牌之中，一旦老人遇到危急情況，按下按鈕

就能夠通知護(hù)工人員及時予以救助，避免危及老人生命健康安全。

5、展廳：

在會展、展廳內(nèi)，UWB超寬帶定位系統(tǒng)可實現(xiàn)智能化導(dǎo)覽服務(wù)，一方面可以實時導(dǎo)引觀眾

前往想去的展位，另外也可以對觀眾的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)統(tǒng)計，查看參展客戶及工作人員在

展廳內(nèi)的觀覽軌跡、停留時間等，實現(xiàn)辦展效果精準(zhǔn)分析。讓展方了解參展人員感興趣產(chǎn)品,

為后期提升展會質(zhì)量工作提供明確方向。

6、無繩USB

無繩USB(WirelessUSB)是一種無線接口標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是以無線取代目前的USB連線。無線

技術(shù)方面將使用超寬帶近距離高速通信技術(shù)“UWB”。目標(biāo)傳送速度為USB2.0的最大通信速度

480Mbit/s?？赏鸘WB無線技術(shù)將取代USB,成為PC的外設(shè)接口。

無繩USB可以實現(xiàn)數(shù)字家庭的打印機(jī)共享、無線鼠標(biāo)、鍵盤連接，掃描儀的數(shù)據(jù)傳輸，移

動硬盤的無線接入，DV數(shù)據(jù)傳送等應(yīng)用，是數(shù)字家庭標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接入的接口。通過UWB無繩USB

連凄，組成了以計算機(jī)為中心，ISB標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)作為從設(shè)備的互聯(lián)互逋小網(wǎng)絡(luò)。這個小型網(wǎng)絡(luò)能

夠完成系統(tǒng)協(xié)同工作，由軟件控制可智能完成用戶的特定任務(wù)。例如，用戶可以直接從數(shù)碼

相機(jī)中瀏覽，選定自己喜歡的照片，通過無繩USB技術(shù)傳送到電腦，接著，電腦可以把它輸出

到無線連接的便攜打印機(jī)，用戶就能及時打印出選出的照片。這樣，隨時隨地?zé)o任何連接限

制地體現(xiàn)出數(shù)字家庭設(shè)備互聯(lián)互通人性化的特點。

!1!前景

毋庸置疑，在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，室內(nèi)定位絕對是最為重要的組成部分之一。其中UWB定位系統(tǒng)

因具有高精度、高動態(tài)、高容量、低功耗等優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用。

據(jù)markot&markct的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，未來幾年，室內(nèi)定位的全球市場將以42.0%

的年復(fù)合成長率(CAGR)增長，市場規(guī)模預(yù)計從2017年的71億1000萬美元擴(kuò)大到2022年的409

億9000萬美元。由此可見，室內(nèi)定位在未來幾年內(nèi)將迎來快速發(fā)展時期。

在室內(nèi)定位市場中，北美占據(jù)32%的市場份額。由于在室內(nèi)定位技術(shù)方面有著重大研發(fā)和

技術(shù)進(jìn)步，北美預(yù)計將持續(xù)引領(lǐng)室內(nèi)定位市場。因此，一些北美公司正在戰(zhàn)略性地采用不同

級別的室內(nèi)定位技術(shù)，以便在各自的市場中取得成功，并提高生產(chǎn)率。歐洲、中東在室內(nèi)定

位市場中分別占據(jù)28%、22%的市場。

亞太地區(qū)占據(jù)的市場份額最少，僅有18樂但是絕大部分市場是在中國，這完全得益于中

國近幾年制造行業(yè)、消費行業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展?？v觀整個定位市場，驅(qū)動位置服務(wù)的因素很

多，其中商業(yè)驅(qū)動和政府驅(qū)動是兩個非常關(guān)鍵的因素。

在商業(yè)層面，國內(nèi)外的巨頭和創(chuàng)業(yè)企業(yè)為促進(jìn)室內(nèi)定位技術(shù)落地，做出大量嘗試，室內(nèi)

位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈初現(xiàn)雛形。國外Estimote、思杰走產(chǎn)業(yè)上游平臺路線，國內(nèi)的百度、360

則開發(fā)了終端用戶產(chǎn)品。

在政策層面，多部下發(fā)的多項指導(dǎo)政策中均提出要大力推動室內(nèi)定位系統(tǒng)發(fā)展。比如某

規(guī)劃就制定了導(dǎo)航與位置服務(wù)，包括室內(nèi)外無縫導(dǎo)航、室內(nèi)外多模式協(xié)同定位、室內(nèi)多維位

置信息、位置智能感知、無