浅谈高精度UWB定位技术

UWB定位技术是目前业界精度最高的商用无线定位技术，可实现较高的实时定位精度，通常能够在现实环境中获取高达10cm~20cm的定位精度。

一、 什么是UWB定位技术？

UWB定位技术是一种无线载波通信技术，即不采用正弦载波，而利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。

从频域来看，超宽带有别于传统的窄带和宽带，它的频域更宽。窄带是指相对宽度（信号带宽与中心频率之比）小于1%，相对带宽在1%到25%之间的被称为宽带，相对带宽大于25%，而且中心频率大于500MHz的被称为超宽带

从时域上讲，超宽带系统有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制，而UWB是利用起、落点的时域脉冲（几十纳秒）直接实现调制，超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行，而且以这一过程中所持续的时间，来决定带宽所占据的频率范围。

二、UWB 定位系统组成

EHIGH恒高UWB定位系统基本组成包括UWB标签、UWB基站、定位引擎三个部分。

1）UWB标签

定位标签附着于定位对象的表面，当标签进入基站的信号覆盖范围内，即自动与基站建立联系，发送电磁波信号来确定标签位置。每一个标签都有唯一的ID号，可通过这个ID号将定位的对象联系起来，使定位基站通过标签找到实际定位的位置。

2）UWB基站

UWB基站分布于定位区域的几何边缘，并对该区域进行信号覆盖。室内定位基站主要功能就是探测标签的数据信息并上传至服务器进行汇总分析。一个定位系统一般要由三个以上的定位基站组成，它们可以接收定位终端（即定位标签）发送的UWB信号，并进行互相关系分析，计算信号传播时延，在通过特定的算法计算出待定位标签与基站之间的距离，再通过有线网络或WLAN传递给定位引擎。

3）定位引擎

运行在PC端程序，通过基站和标签之间的测距结果，结合基站地图信息精确算出标签的具体位置，并呈现在监控终端。

三、UWB定位技术如何获取准确的位置信息？

在实际的无线传输环境中，电磁波会受到周围环境如墙壁、玻璃、金属等物体的反射（类似于可见光的反射），产生多径信号。接收节点（基站）往往不仅能接收到直达信号，还能接收到反射路径传播的信号，并且直达路径信号和反射路径信号是相加的关系。

所以，定位系统想要精准测量电磁波的飞行时间，实现精确定位，关键在于接收节点能否正确接收到发射节点（标签）所发送信号的直达路径。

如果接收节点不能分离出信号中的直射路径，则接收节点定位的依据是直射路径信号和反射路径信号相加的结果，从而影响时间信息的获取，对定位精度造成影响。因此为了提高定位的精准度，定位系统需要提取出首达路径信号。

UWB时域信号较窄，使得时间分辨率增强，接收多径反射延时信号与直达信号的时间差一般大于脉冲宽度，因此，信号在时域上是可分离的，因此系统可快速提取出直达信号，实现精确定位。

UWB信号持续时间短，除了利于提取出首达信号，提高定位精度外，还有以下三个优势：

1）工作时间短、设备功耗低

UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20ns~1.5ns之间，有很空的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW~几十mW。民用的UWB设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/100左右，是蓝牙设备所需功率的1/20左右。因此，UWB设备的电池寿命，相对于传统无线设备有着很大的优越性。

2）对其他设备干扰小

由于UWB脉冲极窄、频带极宽，其带宽相当于1000个电视频道或3万个FM广播频道，因此单位频宽内的功率密度相当低。美国FCC对UWB的发射功率做了严格限制，其功率密度甚至低于一般的噪声水平（比如，低于一部笔记本电脑的辐射）。因此，UWB对其他设备的影响微乎其微。

3）1S内可同时工作的标签多，容量高

UWB使用的带宽在1GHz以上，甚至可高达几个GHz，那么每发送一个UWB信号的持续时间就非常短了。通俗一点，我们可以将信号通信看作不同宽度车辆行驶，如自行车（UWB信号）、汽车（窄带信号），马路宽度一定（时间资源），车辆越窄，马路上容纳的车辆就越多，如只有自行车在马路上行驶和只有汽车在马路上行驶时，自行车的容量会大大多于汽车。因此，UWB定位系统容量大，可同时容纳成百上千个定位标签同时工作。

目前，UWB定位技术的定位精度是其他定位技术中远远不能比拟的。EHIGH恒高UWB定位系统已成功将UWB定位技术和物联网的相结合，实现了UWB定位系统在工业4.0、石油化工、电力能源、公安司法等领域的应用，并不断推动高精度位置服务的快速发展。随着新行业应用的不断发掘，成本价格的不断下降，UWB定位技术的真正爆发时间也不会太迟。