UWB定位记录一（UWB基本介绍）

     最近又回归到搞UWB定位的项目，在此也写下博客记录下学习过程并供大家参考。这第一篇主要是对UWB进行基本介绍。

一、UWB介绍

     UWB（Ultra Wide Band）我们一般叫做超宽带通信，顾名思义最主要特征是带宽很宽，远大于现存的窄带通信系统（包括802.11系列和2/3/4和5G中的sub6G）。如果一个无线电拥有超过中心频率20%的相对带宽，或者拥有500MHz以上的绝对带宽，我们称之为是UWB无线电系统。如图1-1所示。传统UWB通信系统中，我们不需要「正弦载波」作为载体，而是直接发射电磁脉冲，通过调节脉冲的幅度(PAM，脉冲振幅调制）和脉冲的位置(PPM，脉冲位置调制）等方式来传递信息。频域扩展等于时域收缩，因此现在的传统UWB系统中，脉冲的宽度一般在数纳秒到数十纳秒之间，这就意味着信号本身的占空比很低。在定位系统里，距离分辨率与脉冲宽度成正相关；脉冲宽度越小，距离越小，可以分辨的两点就越近，精度就越高。具体公式很简单：

                                       

     这就意味着UWB所采用的窄脉冲和高频带天然会带来更高的距离分辨率。

                                                                             图1-1

  基本对UWB的定义介绍的论文和博客大致都与以上类似，对于初学者把UWB认知为一种较特殊适合定位的无线通信技术即可。

二、UWB定位方法介绍

     UWB定位本质上就是利用电磁波的传播特性，就是d=c*t，d为距离，c为光速，t为时间差。定位方法基本就是TOA、TDOA、AOA、RSSI、场景分析这几种了，应用与研究可行性较高的基本就是前两种TOA、TDOA了。

      TOA三边测量如图2-1所示，通过信号到达基站时间(time of arrival，ToA）,来求出相应到基站距离，加上基站位置是已知的，最终得到定位信息。一般的单程测距TOA做法就是某一时刻三个基站同时向标签发出定位信号，根据标签接收时间与基站发送时间的差值计算出基站与标签距离Ri，最后通过联立方程求解标签坐标。以上这种单程测距要求三个基站和标签的时钟同步，这在实践中是比较难做到也是UWB定位难点之一，但也可以通过双程测距与双次双程测距来克服时钟同步问题，在后续博客会详细介绍。

    

                                                                                  图2-1

       TDOA（Time Difference of Arrival）定位方法如图2-2所示，其主要是通过标签与基站的传播时间差来实现定位。即在某一时刻标签发出信号，根据各基站的不同接收时间计算出距离差，利用几何中双曲线定义特性可以进行方程求解。其方法仅要求基站之间的时钟同步即可并且是单程测距，相比于单程测距TOA来说实践上要简单许多，所以也是论文和工程中应用研究最多的方法。

    

                                                                            图2-2

    剩余方法AOA是通过信号角度来测距，RSSI通过信号强度来测距，场景分析相当于是存入信号强度等信息到数据库，然后把标签信息与数据库数据对比分析位置。前两者对硬件要求比较搞（涉及天线列阵），场景分析数据采集过程较为复杂，故应用都不是很普及。接下来博客我再详细介绍下TOA与TDOA的求解算法。