隨著科學(xué)的發(fā)展與進(jìn)步，GPS已經(jīng)可以在室外提供穩(wěn)定、精準(zhǔn)的定位導(dǎo)航服務(wù)，但在室內(nèi)或者有障礙物遮擋情況下，GPS因其信號(hào)穿透能力較差而無法實(shí)現(xiàn)精確的室內(nèi)定位，因此室內(nèi)定位成為定位導(dǎo)航領(lǐng)域里的“最后一公里”問題。為解決室內(nèi)定位這一難題，國(guó)內(nèi)外研究人員嘗試了WLAN技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)等，根據(jù)不同場(chǎng)景需求這些技術(shù)已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用，今天我們針對(duì)超寬帶uwb技術(shù)進(jìn)行介紹。
何為超寬帶技術(shù)？
超寬帶技術(shù)（UWB，Ultra Wide Band）技術(shù)是一種新型的無線通信技術(shù)。它通過對(duì)具有很陡上升和下降時(shí)間的沖激脈沖進(jìn)行直接調(diào)制，使信號(hào)具有GHz量級(jí)的帶寬。超寬帶技術(shù)解決了困擾傳統(tǒng)無線技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題，它具有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點(diǎn)。超寬帶（UWB）在早期被用來應(yīng)用在近距離高速數(shù)據(jù)傳輸，近年來國(guó)外開始利用其亞納秒級(jí)超窄脈沖來做近距離精確室內(nèi)定位。
超寬帶定位有哪幾種常用的算法？
1、RSS法超寬帶定位在使用RSS算法的時(shí)候可以通過測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的能量來估計(jì)目標(biāo)與接收機(jī)之間的距離，由于接收信號(hào)的強(qiáng)度與傳播的距離成反比，因此，距離的估算可以通過發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度和接收信號(hào)的強(qiáng)度利用衰減模型繁衍得到。超寬帶定位的這種算法操作簡(jiǎn)單，而且成本也很低，但是在計(jì)算時(shí)需要考慮多徑衰弱和陰影效應(yīng)的影響。
2、AOA法AOA算法能測(cè)量未知點(diǎn)和參考點(diǎn)之間的角度并計(jì)算目標(biāo)的位置。超寬帶定位系統(tǒng)通過多個(gè)基站測(cè)量從定位目標(biāo)最先到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)的到達(dá)角度，從而估計(jì)出定位目標(biāo)的位置。如果區(qū)域內(nèi)的障礙物比較少，則可以利用AOA算法獲得較高的定位精度，但是如果定位區(qū)域內(nèi)的障礙物比較多，那么就要考慮多徑效應(yīng)的影響。
3、TOA/TDOA法當(dāng)超寬帶定位使用AOA方法來計(jì)算時(shí)，由于多路徑效應(yīng)和接收機(jī)天線的限制，往往需要較多的傳感器同時(shí)工作，這樣會(huì)增加系統(tǒng)的應(yīng)用成本。而利用TOA/TDOA聯(lián)合定位算法，可以減少同時(shí)工作的傳感器數(shù)量，并且獲得待定位目標(biāo)的三維坐標(biāo)。TOA即“到達(dá)時(shí)間”，這種方式定位是通過Anchor和Tag之間的多次通信實(shí)現(xiàn)的，如下圖：
1、Anchor首先發(fā)給Tag一個(gè)包，同時(shí)記錄下Anchor當(dāng)前的時(shí)間信息，記為T1。
2、Tag收到基站的信息，返回一個(gè)ACK。
3、 Anchor收到Tag的ACK，記錄當(dāng)前的時(shí)間信息，記為T2。
4、Anchor計(jì)算時(shí)間差Tr = T2 - T1，并且根據(jù)此計(jì)算出距離。d = c * Tr / 2 其中c為光速。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中為了更加靠譜，往往不僅僅是利用兩次通信來測(cè)距，還會(huì)有更加復(fù)雜的多次通信來提高精度。對(duì)于空間定位，只需要利用SX（球面相交法）便可以得出最后的坐標(biāo)。可見，為了一次定位，每個(gè)Anchor和Tag之間要進(jìn)行兩次通信，故又將這種定位方式稱為“Two-way-ranging”。
這種定位的優(yōu)勢(shì)在于其實(shí)現(xiàn)的便捷性和對(duì)硬件的寬容，只需要有幾個(gè)擺放在不同位置的Anchor和一個(gè)Tag便可進(jìn)行定位，而缺點(diǎn)嘛。。。首先自然是定位速度了，其次，由于每次通信的質(zhì)量無法保證，而一對(duì)Anchor/Tag又無法做自我的校準(zhǔn)，精度自然也會(huì)受到影響。TODA即“到達(dá)時(shí)間差”，這種方式的一次測(cè)距是由兩個(gè)Anchor和一個(gè)Tag實(shí)現(xiàn)的。在這種模式下，多個(gè)時(shí)鐘完全同步的Anchor同時(shí)接受來自一個(gè)Tag的包，對(duì)于不同位置的Anchor，同一個(gè)Tag的同一次廣播包到達(dá)的時(shí)間是不同的，所以便有有以下算法：
1、Tag發(fā)出一個(gè)廣播包。
2、 兩個(gè)Anchor接收到同一個(gè)包，Anchor1接收到的時(shí)間為T1，Anchor2接收到的時(shí)間為T1。
3、計(jì)算時(shí)間差Td = T2 - T1。
4、 對(duì)于至少四個(gè)Anchor，可以得到三組這樣的兩兩之間的信息。
5、通過數(shù)學(xué)方法（multi-lateration）可以解算出Tag的空間坐標(biāo)。由于算法比較復(fù)雜，這里不再贅述。由此可見，TDOA的優(yōu)勢(shì)首先在于一次定位的通信次數(shù)顯著減少，其次由于是用時(shí)間差而非絕對(duì)時(shí)間進(jìn)行測(cè)距，其精度也比TOA高出一些。但優(yōu)勢(shì)總是以一些代價(jià)換來的，TDOA系統(tǒng)中各個(gè)Anchor的時(shí)鐘必須嚴(yán)格同步，由于這種定位本質(zhì)上是依賴于光速的，所以1ns的固有時(shí)鐘誤差便可以造成30cm的固有距離誤差，這一點(diǎn)顯然是不可接受的。而要打造一個(gè)間距比較大的精確同步系統(tǒng)成本又是比較高昂的。
和其他定位技術(shù)對(duì)比
1、Wi-Fi技術(shù)通過無線接入點(diǎn)（包括無線路由器）組成的無線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN），可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中的定位、監(jiān)測(cè)和追蹤任務(wù)。它以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（無線接入點(diǎn)）的位置信息為基礎(chǔ)和前提，采用經(jīng)驗(yàn)測(cè)試和信號(hào)傳播模型相結(jié)合的方式，對(duì)已接入的移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行位置定位，最高精確度大約在1米至20米之間。如果定位測(cè)算僅基于當(dāng)前連接的Wi-Fi接入點(diǎn)，而不是參照周邊Wi-Fi的信號(hào)強(qiáng)度合成圖，則Wi-Fi定位就很容易存在誤差（例如：定位樓層錯(cuò)誤）。另外，Wi-Fi接入點(diǎn)通常都只能覆蓋半徑90米左右的區(qū)域，而且很容易受到其他信號(hào)的干擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高。
2、藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙通訊是一種短距離低功耗的無線傳輸技術(shù)，在室內(nèi)安裝適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)后，將網(wǎng)絡(luò)配置成基于多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接模式，并保證藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)始終是這個(gè)微網(wǎng)絡(luò)的主設(shè)備。這樣通過檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度就可以獲得用戶的位置信息。藍(lán)牙定位主要應(yīng)用于小范圍定位，例如：?jiǎn)螌哟髲d或倉(cāng)庫(kù)。對(duì)于持有集成了藍(lán)牙功能移動(dòng)終端設(shè)備，只要設(shè)備的藍(lán)牙功能開啟，藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)就能夠?qū)ζ溥M(jìn)行位置判斷。不過，對(duì)于復(fù)雜的空間環(huán)境，藍(lán)牙定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號(hào)干擾大。
3、紅外線技術(shù)紅外線技術(shù)室內(nèi)定位是通過安裝在室內(nèi)的傳感器接收各移動(dòng)設(shè)備（紅外線IR標(biāo)識(shí)）發(fā)射調(diào)制的紅外射線進(jìn)行定位，具有相對(duì)較高的室內(nèi)定位精度。但是，由于光線不能穿過障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播，容易受其他燈光干擾，并且紅外線的傳輸距離較短，使其室內(nèi)定位的效果很差。當(dāng)移動(dòng)設(shè)備放置在口袋里或者被墻壁遮擋時(shí)，就不能正常工作，需要在每個(gè)房間、走廊安裝接收天線，導(dǎo)致總體造價(jià)較高。
4、超寬帶UWB技術(shù)超寬帶技術(shù)與傳統(tǒng)通信技術(shù)的定位方法有較大差異，它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級(jí)以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，可用于室內(nèi)精確定位，例如：戰(zhàn)場(chǎng)士兵的位置發(fā)現(xiàn)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤等。超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強(qiáng)、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能夠提高精確定位精度等優(yōu)點(diǎn)，通常用于室內(nèi)移動(dòng)物體的定位跟蹤或?qū)Ш健?p>5、RFID技術(shù)RFID定位技術(shù)利用射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備識(shí)別和定位的目的。它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級(jí)定位精度的信息，且傳輸范圍大、成本較低;不過，由于以下問題未能解決，以RFID定位技術(shù)的適用范圍受到局限。1）RFID不便于整合到移動(dòng)設(shè)備之中2）作用距離短（一般最長(zhǎng)為幾十米）3）用戶的安全隱私保護(hù)4）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化
6、超聲波技術(shù)超聲波定位主要采用反射式測(cè)距（發(fā)射超聲波并接收由被測(cè)物產(chǎn)生的回波后，根據(jù)回波與發(fā)射波的時(shí)間差計(jì)算出兩者之間的距離），并通過三角定位等算法確定物體的位置。超聲波定位整體定位精度較高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但容易受多徑效應(yīng)和非視距傳播的影響，降低定位精度;同時(shí)，它還需要大量的底層硬件設(shè)施投資，總體成本較高。