搞定物聯(lián)網(wǎng)定位：UWB 高精度定位技術(shù)原理與實(shí)現(xiàn)
搞定物聯(lián)網(wǎng)定位：UWB 高精度定位技術(shù)原理與實(shí)現(xiàn)
導(dǎo)語(yǔ) | 高德地圖、百度地圖、騰訊地圖等手機(jī)地圖上提供的定位導(dǎo)航、路況查詢、位置搜索等實(shí)用功能，極大方便了人們的生活，這背后有賴于智能手機(jī)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(shí)，近些年物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，越來(lái)越多的物聯(lián)網(wǎng)終端連上了網(wǎng)絡(luò)，實(shí)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(jìn)一步提高和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的進(jìn)一步拓展，除了互聯(lián)互通，解決“物在 where”問(wèn)題也越來(lái)越迫切，即 IoT 定位。本文將介紹一種厘米級(jí)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(wú)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(lái)承載，UWB 則不需要，取而代之的是通過(guò)發(fā)送和接收具有納秒甚至亞納秒級(jí)的極窄脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，一個(gè)信息比特可映射為數(shù)百個(gè)這樣的脈沖。
根據(jù)傅里葉時(shí)頻變換規(guī)則可知，單周期 UWB 脈沖時(shí)域?qū)挾仍蕉蹋瑢?duì)應(yīng)的頻域帶寬就越寬，這種納秒級(jí)時(shí)域脈沖信號(hào)，往往能產(chǎn)生具有 GHz 量級(jí)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是帶寬非常大）。
正是這些納秒級(jí)的時(shí)域脈沖，使得 UWB 信號(hào)具有極高的時(shí)間分辨率，非常適合高精度定位。
圖 1 UWB 時(shí)域極短脈沖信號(hào)及頻譜
二、UWB 定位的技術(shù)特點(diǎn)
1. 高精度
具有厘米級(jí)的高精度定位能力。UWB 信號(hào)時(shí)域?qū)挾葮O窄，接收端在測(cè)量時(shí)，能獲得極高的時(shí)間分辨率，簡(jiǎn)單講就是時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)，這是實(shí)現(xiàn)高精度定位的基礎(chǔ)。
同時(shí)它還具有很強(qiáng)的抗多徑能力，不同方向到達(dá)的信號(hào)很難出現(xiàn)疊加干擾，這對(duì)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(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時(shí)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(méi)在噪聲中，被截獲和干擾的概率非常低。反之，影響其他無(wú)線通信（如 WIFI）的概率也非常低。總結(jié)起來(lái)，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(gòu)成本，但 UWB 基站覆蓋范圍大，典型半徑達(dá) 50-150 米，同樣面積下，需部署的設(shè)備更少。同時(shí)，UWB 系統(tǒng)一旦部署調(diào)試完畢，幾乎不用再改動(dòng)，一次投入，可用 10 年，運(yùn)營(yíng)成本極低。
三、UWB 定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
整個(gè) UWB 定位系統(tǒng)主要包含四個(gè)部分：UWB 定位標(biāo)簽、UWB 定位基站、IoT 定位平臺(tái)，以及應(yīng)用平臺(tái)，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(hào)，有工牌、安全帽、腕表等多種形態(tài)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，具有低功耗、便攜、防水防塵等特點(diǎn)。
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(cè)量 UWB 定位標(biāo)簽的脈沖信號(hào)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(tái)
接收 UWB 定位基站的測(cè)量數(shù)據(jù)，完成高精度位置計(jì)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(shí)用功能，同時(shí)也提供用戶 API，便于應(yīng)用側(cè)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。
4. 應(yīng)用平臺(tái)
B 端客戶借助 IoT 定位平臺(tái)提供的基礎(chǔ)定位能力拓展業(yè)務(wù)，助力企業(yè)智能運(yùn)營(yíng)、安全生產(chǎn)、降本增效。
在實(shí)際部署中，與智能手機(jī)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(chǎng)景，由于涉及到生產(chǎn)制造等核心企業(yè)環(huán)節(jié)，這類場(chǎng)景對(duì)定位精度的要求比手機(jī)定位要求高得多，通常需要在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)基站，基站位置和定位精度強(qiáng)相關(guān)，需要進(jìn)行精確測(cè)量校正。
PoE 交換機(jī)與各個(gè)基站連接，實(shí)現(xiàn)基站和 IoT 定位平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通信，也可以通過(guò) 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(dú)立的。總體而言，安裝和部署都比較簡(jiǎn)單方便。
四、UWB 定位原理
前文提到，UWB 信號(hào)脈沖時(shí)域?qū)挾葮O窄，具有非常高的時(shí)間分辨率，天然適合高精度定位。在 UWB 位置計(jì)算中應(yīng)用最廣泛的是到達(dá)時(shí)間差法（TDOA），即根據(jù)信號(hào)達(dá)到基站的時(shí)間差來(lái)進(jìn)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(dòng)的被定位目標(biāo)，其向周圍發(fā)送納秒級(jí)的脈沖信號(hào)，固定安裝在周圍的 UWB 基站接收并測(cè)量上述脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、滑動(dòng)相關(guān)等運(yùn)算，各自計(jì)算得到脈沖信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻等定位測(cè)量信息。
上述定位測(cè)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(tái)完成對(duì) UWB 標(biāo)簽的高精度位置計(jì)算，并以此為基礎(chǔ)，封裝設(shè)備管理、熱力圖、軌跡等多種實(shí)用功能，為應(yīng)用側(cè)提供服務(wù)。
TDOA 要求基站之間保持時(shí)鐘同步，UWB 基站同步精度非常精準(zhǔn)，可以達(dá)到 0.1ns 以內(nèi)。因此下面假設(shè) UWB 基站之間時(shí)鐘是同步的，標(biāo)簽發(fā)送脈沖信號(hào)后，到達(dá)各個(gè)基站所需的時(shí)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(diǎn)的距離差的絕對(duì)值為定長(zhǎng)的點(diǎn)的軌跡形成雙曲線。在這里，兩定點(diǎn)就是基站 i 與基站 1，ri,1 為定長(zhǎng)的距離差，因此多條雙曲線的交點(diǎn)就是定位位置。
圖 6 UWB 信號(hào)時(shí)序圖
下面以 2D 定位為例進(jìn)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(jiǎn)，有
其中，令
作為待估計(jì)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(jì)量為：
上面公式利用 M-1 個(gè) TDOA 測(cè)量值，構(gòu)成了 M-1 個(gè)雙曲線方程，求解此方程組即可得到標(biāo)簽坐標(biāo)。實(shí)際最終的結(jié)果，還要經(jīng)過(guò)濾波、匹配等復(fù)雜算法操作，這里就不一一展開(kāi)了。
五、應(yīng)用場(chǎng)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(cāng)儲(chǔ)、智慧樓宇、智慧園區(qū)、建筑施工、數(shù)字機(jī)房、港口機(jī)場(chǎng)、電力能源、公檢法等場(chǎng)景，能深度參與到生產(chǎn)、運(yùn)輸、監(jiān)管、安全等核心環(huán)節(jié)中，助力 B 端客戶高效運(yùn)營(yíng)和安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)降本增效，期待未來(lái)更廣泛多樣化的應(yīng)用。
圖 7 UWB 定位典型應(yīng)用場(chǎng)景
