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UWB超寬帶定位技術(shù)屬于無(wú)線定位技術(shù)的一種。無(wú)線定位技術(shù)是指用來(lái)判定移動(dòng)用戶位置的測(cè)量方法和計(jì)算方法，即定位算法。目前最常用的定位技術(shù)主要有：時(shí)差定位技術(shù)、信號(hào)到達(dá)角度測(cè)量(AOA)技術(shù)、到達(dá)時(shí)間定位(TOA)和到達(dá)時(shí)間差定位(TDOA)等。其中，TDOA技術(shù)是目前最為流行的一種方案，UWB超寬帶定位采用的也是這種技術(shù)。下面以國(guó)內(nèi)UWB定位解決方案供應(yīng)商恒高科技為例，為大家詳細(xì)介紹UWB超寬帶定位。

0. 背景

0.1 室內(nèi)定位系統(tǒng)（IPS）

0.1.1 室內(nèi)定位系統(tǒng)介紹

??GPS主導(dǎo)了室外場(chǎng)景下米級(jí)精度的定位市場(chǎng)，然而卻無(wú)力進(jìn)一步擴(kuò)展到對(duì)位置感知需求愈加強(qiáng)烈的室內(nèi)場(chǎng)景。作為未來(lái)工業(yè)4.0基礎(chǔ)的智慧工廠、智能制造、智能物流、人機(jī)協(xié)作等，需要通過(guò)對(duì)原料、貨物、資產(chǎn)、設(shè)備、人員等進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度的定位與追蹤，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)流程、客戶需求、市場(chǎng)反饋、商品成本等進(jìn)行快速調(diào)整和優(yōu)化。

??IPS(Indoor Positioning System)指在室內(nèi)環(huán)境中利用無(wú)線、光學(xué)、聲學(xué)、地磁場(chǎng)、慣性導(dǎo)航等多種技術(shù)方式提供對(duì)人員、物體等進(jìn)行定位能力的系統(tǒng)。盡管IPS在商業(yè)、零售、工業(yè)等領(lǐng)域有大量的應(yīng)用，然而由于室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜和多變性，使得當(dāng)前沒(méi)有單一或標(biāo)準(zhǔn)化的方案能主導(dǎo)室內(nèi)定位需求，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景和業(yè)務(wù)需求以及成本預(yù)算下大多使用一種傳感器數(shù)據(jù)或組合多種傳感數(shù)據(jù)的定制化的解決方案。

0.1.2 基于傳感器IPS分類(lèi)

無(wú)線定位技術(shù)： WiFi, Bluetooth, RFID, Zigbee, UWB
光學(xué)定位技術(shù)： Infra-red Sensor，LiFi， Camera， Lidar
聲學(xué)定位技術(shù)：：Ultrasound sensor
地磁定位技術(shù)： Magnetometer
慣性定位技術(shù)： Accelerometer， Gyroscope， IMU

0.2 基于位置服務(wù)（LBS）

LBS(location-based service)是一種根據(jù)用戶的位置信息為用戶提供相關(guān)信息/業(yè)務(wù)/需求的服務(wù)方式，國(guó)內(nèi)最常見(jiàn)的LBS應(yīng)用包括：

地圖類(lèi)APP基于用戶實(shí)時(shí)位置所提供的導(dǎo)航服務(wù)，天氣預(yù)警信息，交通擁塞通知等；
本地生活類(lèi)APP等基于用于用戶位置投放廣告或促銷(xiāo)信息等，如推薦的住宿服務(wù)，餐飲服務(wù)，娛樂(lè)場(chǎng)所等；
匿名/熟人社交APP所提供的附近人交友的功能；

LBS系統(tǒng)主要基于定位技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)兩大支撐，其中定位能力更是LBS的前提條件，精確的定位能力可進(jìn)一步擴(kuò)展LBS的應(yīng)用場(chǎng)景同時(shí)優(yōu)化其使用體驗(yàn)。C端場(chǎng)景當(dāng)前主要利用手機(jī)自帶的WiFi，Bluetooth實(shí)現(xiàn)~10m精度的定位能力，隨著Iphone11增加U1芯片提供對(duì)UWB技術(shù)的支持，未來(lái)C端用戶可以借助手機(jī)內(nèi)置的UWB芯片獲得<10cm的定位精度而無(wú)需攜帶額外的UWB定位標(biāo)簽設(shè)備。

1. UWB 介紹

??超寬帶無(wú)線通信技術(shù)（UWB）是一種無(wú)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(guò)正交頻分調(diào)制或直接排序?qū)⒚}沖擴(kuò)展到一個(gè)頻率范圍內(nèi)。UWB的主要特點(diǎn)是傳輸速率高、空間容量大、成本低、功耗低等。

??超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)則包括UWB接收器、UWB參考標(biāo)簽和主動(dòng)UWB標(biāo)簽。定位過(guò)程中由UWB接收器接收標(biāo)簽發(fā)射的UWB信號(hào)，通過(guò)過(guò)濾電磁波傳輸過(guò)程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號(hào)，再通過(guò)中央處理單元進(jìn)行測(cè)距定位計(jì)算分析。

??未來(lái)無(wú)線定位技術(shù)的趨勢(shì)是室內(nèi)定位與室外定位相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的、精確的定位。現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還不能完全滿足這個(gè)要求，而UWB技術(shù)由于功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、定位精度極高等優(yōu)點(diǎn)，在眾多無(wú)線定位技術(shù)中脫穎而出。

2. 定位原理

??超寬帶（Ultra Wide-Band，UWB）是一種新型的無(wú)線通信技術(shù)，根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)的規(guī)范，UWB的工作頻帶為3.1~10.6GHz，系統(tǒng)-10dB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。UWB信號(hào)的發(fā)生可通過(guò)發(fā)射時(shí)間極短（如2ns）的窄脈沖（如二次高斯脈沖）通過(guò)微分或混頻等上變頻方式調(diào)制到UWB工作頻段實(shí)現(xiàn)。
??超寬帶的主要優(yōu)勢(shì)有，低功耗、對(duì)信道衰落（如多徑、非視距等信道）不敏感、抗干擾能力強(qiáng)、不會(huì)對(duì)同一環(huán)境下的其他設(shè)備產(chǎn)生干擾、穿透性較強(qiáng)（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。

2.1 UWB-TDOA 到達(dá)時(shí)間差

??該技術(shù)采用TDOA（到達(dá)時(shí)間差原理），利用UWB技術(shù)測(cè)得定位標(biāo)簽相對(duì)于兩個(gè)不同定位基站之間無(wú)線電信號(hào)傳播的時(shí)間差，從而得出定位標(biāo)簽相對(duì)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：$d_{i,12} $為標(biāo)簽到基站1，2的距離差

[egin{cases} d_{i,12}=r_{i,1}-r_{i,2}\
d_{i,23}=r_{i,2}-r_{i,3}\
d_{i,34}=r_{i,3}-r_{i,4}\
d_{i,14}=r_{i,1}-r_{i,4}
end{cases}
]

[d_{i,12}=sqrt{(x_1-x_i)^2+(y_1-y_i)^2+(z_1-z_i)^2}-sqrt{(x_2-x_i)^2+(y_2-y_i)^2+(z_2-z_i)^2}
]

同理得到： (d_{i,23},d_{i,34},d_{i,14}) 示意圖如下：

2.2 信號(hào)強(qiáng)度

??RSSI(Receive Signal Strength Indicator)通過(guò)測(cè)量無(wú)線信號(hào)在接收端的功率大小并根據(jù)無(wú)線信號(hào)的Friis傳輸模型計(jì)算出收發(fā)端之間的距離。

其中，(P_r/P_t)分別表示接收/發(fā)送信號(hào)功率級(jí)，(G_R/G_T)分別表示接收/發(fā)送天線增益，(L)表示PCB、連接線、連接器等帶來(lái)的損耗，(d)表示設(shè)備間距離，(lambda)表示無(wú)線信號(hào)的中心波長(zhǎng)。

從Friis傳輸模型中可以看出，RSSI的測(cè)距結(jié)果受收發(fā)天線設(shè)計(jì)，多徑傳播，非視距傳播，直接路徑損耗等環(huán)境因數(shù)影響較大，實(shí)際應(yīng)用中測(cè)距精度~10m量級(jí)，遠(yuǎn)低于基于時(shí)間戳測(cè)距的方法，因而基于RSSI的方法很少直接用于UWB定位。

2.3 飛行時(shí)間（TOF）/到達(dá)時(shí)間（TOA)

??TOF(Time of Flight)/TOA(Time of Arrival)通過(guò)記錄測(cè)距消息的收發(fā)時(shí)間戳來(lái)計(jì)算無(wú)線信號(hào)從發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備的傳播時(shí)間，乘以光速然后得到設(shè)備間的距離。根據(jù)測(cè)距消息的傳輸方式不同可分為單向測(cè)距和雙向測(cè)距，其中單向測(cè)距中測(cè)距消息僅單向傳播，為獲得設(shè)備間的飛行時(shí)間需要雙方設(shè)備保持精確的時(shí)鐘同步，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和成本較高，而雙向測(cè)距對(duì)雙方設(shè)備的時(shí)鐘同步?jīng)]有要求，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和成本很低，因而我們主要關(guān)注雙向測(cè)距這種方案。

單邊雙向測(cè)距(SS-TWR)

SS-TWR(Single-Sided Two-Way Ranging)算法中測(cè)距請(qǐng)求設(shè)備發(fā)起測(cè)距請(qǐng)求，而測(cè)距響應(yīng)設(shè)備監(jiān)聽(tīng)并響應(yīng)測(cè)距請(qǐng)求，然后測(cè)距請(qǐng)求設(shè)備利用所有時(shí)間戳信息計(jì)算出設(shè)備間的飛行時(shí)間。

2.4 到達(dá)角（AOA）到達(dá)相位差（PDOA）

3. UWB 定位優(yōu)勢(shì)

UWB是一種高速、低成本和低功耗新興無(wú)線通信技術(shù)。UWB信號(hào)是帶寬大于500MHz或基帶帶寬和載波頻率的比值大于0.2的脈沖信號(hào)(UWBWG，2001)，具有很寬的頻帶范圍，F(xiàn)CC規(guī)定UWB的頻帶從3.1GHz～10.6GHz，并限制信號(hào)的發(fā)射功率在-41dBm以下。

由此可見(jiàn)，UWB聚焦在兩個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用上，一是符合IEEE802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)的短距離高速數(shù)據(jù)通信，即無(wú)線無(wú)延遲地傳播大量多媒體數(shù)據(jù)，速率要達(dá)到1OOMbit/s-500Mbit/s；另一個(gè)是符合IEEE802.15.4a的低速低功率傳輸，用于室內(nèi)精確定位，例如工地施工人員的位置發(fā)現(xiàn)、化工廠危險(xiǎn)源檢測(cè)、監(jiān)獄服刑犯人危險(xiǎn)行為預(yù)測(cè)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤等。

UWB信號(hào)的特點(diǎn)說(shuō)明它在定位上具有低成本、抗多徑干擾、穿透能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，所以可以應(yīng)用于靜止或者移動(dòng)物體以及人的定位跟蹤，能提供十分精確的定位精度。

4. 使用需求

4.1 實(shí)時(shí)導(dǎo)航

需要對(duì)自己所處位置信息有實(shí)時(shí)感知的人員或智能機(jī)器人等，通過(guò)及時(shí)地獲取自身所處的位置從而進(jìn)行路線規(guī)劃與導(dǎo)航、自主巡檢、定時(shí)定點(diǎn)操作、自動(dòng)駕駛等任務(wù)。主要用于大型公共場(chǎng)所如醫(yī)院導(dǎo)航、商場(chǎng)/購(gòu)物中心導(dǎo)購(gòu)、停車(chē)場(chǎng)反向?qū)ぼ?chē)、展廳/博物館自助導(dǎo)游、飛機(jī)場(chǎng)/火車(chē)站/地鐵站導(dǎo)引、AGV/AMR智能機(jī)器人等。

4.2 定位/監(jiān)控/追蹤:

需要對(duì)人員或設(shè)備資產(chǎn)等進(jìn)行監(jiān)控和追蹤的場(chǎng)景，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端對(duì)定位信息進(jìn)行聚合和追蹤，可有效的解決潛在的業(yè)務(wù)安全問(wèn)題，優(yōu)化生產(chǎn)流程瓶頸問(wèn)題，防止資產(chǎn)丟失/人員走散問(wèn)題，以及提供室內(nèi)LBS相關(guān)應(yīng)用等。

主要應(yīng)用于：
- 消費(fèi)者服務(wù)：家人防走散、物品防丟失、LBS產(chǎn)品服務(wù)推送、LBS交友等。
- 企業(yè)服務(wù)：人流監(jiān)控和分析、訪客分布熱圖、智慧倉(cāng)儲(chǔ)和物流、智能制造、緊急救援、人員資產(chǎn)管理和服務(wù)機(jī)器人等。

5. 應(yīng)用場(chǎng)景

5.1 隧道管廊

在隧道施工現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)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(xiǎn)管控、人員管理、實(shí)時(shí)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。

5.2 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(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理，可實(shí)時(shí)查看員工位置、在崗時(shí)間、離崗時(shí)間、移動(dòng)軌跡，提高崗位巡查效率。通過(guò)后臺(tái)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)貨物位置的監(jiān)管，可查看物品位置、所屬倉(cāng)庫(kù)等數(shù)據(jù)，防止物資設(shè)備的丟失。

5.3 司法監(jiān)獄

在監(jiān)獄，通過(guò)UWB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(shí)時(shí)監(jiān)控。

包括：實(shí)時(shí)掌握人員的實(shí)時(shí)位置、人數(shù)清點(diǎn)、犯人腕帶防拆報(bào)警、電子圍欄、聚眾分析、行動(dòng)軌跡跟蹤、 回放、攝像聯(lián)動(dòng)警報(bào)等，能夠很大程度的降低監(jiān)管執(zhí)法的風(fēng)險(xiǎn)，防止意外事故的發(fā)生。

5.4 養(yǎng)老院：

在養(yǎng)老院，通過(guò)給老人佩戴智能手環(huán)或胸牌，不僅能夠?qū)崟r(shí)查看老人位置，還能夠通過(guò)設(shè)置電子圍欄來(lái)圈定安全活動(dòng)范圍，一旦老人走出安全區(qū)域，系統(tǒng)就會(huì)及時(shí)預(yù)警，通知管理人員前往查看，避免老人走失。

5.5 展廳

在會(huì)展、展廳內(nèi)，UWB超寬帶定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)智能化導(dǎo)覽服務(wù)，一方面可以實(shí)時(shí)導(dǎo)引觀眾前往想去的展位，另外也可以對(duì)觀眾的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)，查看參展客戶及工作人員在展廳內(nèi)的觀覽軌跡、停留時(shí)間等，實(shí)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(huì)質(zhì)量工作提供明確方向。

6. Apple UWB

6.1 房間/汽車(chē)門(mén)禁

通過(guò)高精度的測(cè)距測(cè)向能力，當(dāng)識(shí)別到用戶靠近門(mén)禁時(shí)自動(dòng)打開(kāi)，相比Bluetooth等其他使用RSSI(接收信號(hào)強(qiáng)度)技術(shù)，UWB使用的TOF測(cè)距方法可提供更高的精度以及有效地防止中間人攻擊；

6.2 物品防丟失

給手機(jī)、錢(qián)包等易丟失的物品配備UWB定位芯片后，用戶可進(jìn)行高精度(<10cm)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和追蹤；

6.3 智能家居系統(tǒng)

通過(guò)感知用戶在家里的位置信息，可有效地對(duì)環(huán)境的溫度、濕度、光強(qiáng)等進(jìn)行控制調(diào)整，從而帶來(lái)更智能化的體驗(yàn)和更綠色的能效；

6.4 智能設(shè)備控制器

通過(guò)確定Iphone11和被控制設(shè)備(如電視、空調(diào)等)的相對(duì)位置和姿態(tài)信息，可無(wú)需手動(dòng)切換而智能化地實(shí)現(xiàn)利用手機(jī)對(duì)周?chē)碾娖髟O(shè)備進(jìn)行控制；

6.5 數(shù)據(jù)傳輸

7. Paper Record

UWB(Itra-wideband) communication system

refer to a signal or system that either has a large relative bandwidth that exceeds 20% or a large absolute bandwidth of more than 500MHz. 3.1-10.6Ghz

transmitting large amounts of digital data over a wide frequency spectrum using short pulse, low powered radio signals

traditional transmissions transmit information by varying the power /frequency/phase of a sinusoidal wave uwb transmissions can transmit information by generating radio energy at specific time instants and occupying large bandwidth thus enabling a pulse-position or time-modulation. information can be imparted by encoding the polarity of the pulse ,the amplitude of the pulse and also by using orthogonal pulses

uwb is carrier-less ,the data is not modulated on a continuous waveform with a specific carrier frequency as in narrowband and wideband technologies

in multiband uwb spectrum of 7.5GHz as a single band ,it can be divided into 15 subbands of 500 MHz or more ,OFMD techniques to transmit the information using orthogonal carriers in each subband

Advantage:

future generations of communication systems require high mobility , flexibility, high data-rate
high data rate and very low power ,the UWB system can achieve high data rate even for low SNR in noisy enviroments. simple transreceiver architecture.
very low power secure communications, the low emission and impulsive nature of UWB radio leads to enhanced security in communications ,using very low energy per frequency and precisely timed patterns suitable for high security applications such as military communications
very low power operation, low cost , minimal hardware , transmits short impulses constantly instead of transmitting modulated waves continuously as do most narrowband systems
multiple access communications: Timing hopping , Direct sequence
Resolvable multiple components of UWB signals: pulses are very short in space(less than 60cm for a 500MHz wide pulse ,less than 23 cm for 1.3GHz bandwidth pulse) ?? 了解下品綠于發(fā)射距離關(guān)系

Disadvantage:

Interference ,UWB occupy a large frequency spectrum ,interference mitigation or avoidance with coexisting users(IEEE 802.11a 5.150-5.825)
complex signal processing: carrier-less system has to rely on relatively complex and sophisticated signal processing techniques to recover data from the noisy environment
Bit synchronization time: the pulses with picoseconds, the time for a transmiiter and receiver to achieve bit synchronization can be as high as few milliseconds, the channel acquisition time is very high.

Application:

UWB sensor networks, UWB RFID ,and UWB positioning system (FC只是限于13.56MHz的頻段！而RFID的頻段有低頻（125KHz到135KHz），高頻（13.56MHz）和超高頻（860MHz到960MHz之間) factors that influence the distance the ware transfer: 天氣影響 ，天線增益 高度， 供電能量， 頻率（頻率越高自由空間損耗越大，通訊距離越近） 阻礙物

transferring large amounts of data in short-range for home or office networking
short range voice ,data , video applications
military communications on board helicopters and aircrafts that would otherwise have too many interfering multipath components
anticollision vehicular radars
through wall imaging used ro rescue,security and medical applications
reducing inventory time and increasing efficiency in several ways
accurately locating a person or object within one inch of its location through any structure
localization in search and rescue efforts ,tracking of livestock and pets
detecting land mines
assessing enemy locations and tracking troops

參考學(xué)習(xí)

EHIGH恒高：https://zhuanlan.zhihu.com/p/47190294，http://www.everhigh.com.cn/
DrivexTech： https://www.jianshu.com/p/52f659ce8304
聯(lián)睿電子：http://www.locaris-tech.com/sndw
全跡科技：http://www.ubitraq.com/html/index.html
上海有為科技：http://www.uwitec.cn/ServiceIntelligent/mobile?typeid=104
青島碩盈科技：http://www.mr-designr.com/

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【硬件模块】UWB介绍的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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