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超宽带（UWB）定位技术的前世今生

文章来源：华星北斗智控
随着通信技术的发展，无线定位技术越来越受到人们的青睐，在军事和民用领域得到了广泛的应用。超宽带(Ultra Wide-band, UWB)技术凭借其众多的优势在无线定位技术领域特别是室内短距离定位领域发现了巨大的潜力。
1. UWB的概念
2002年2月，美国联邦通信委员会(FCC)公布了超宽带无线通信的初步规范，正式解除了超宽带在民用领域的限制。
这在UWB的发展史上是划时代的事件，它极大地促进了相关的学术研究，也成为超宽带技术正式走向商业化的一个里程碑。超宽带技术是一种脉冲无线电技术，它与传统的通信技术有很大差异，它不是利用载波信号来传输数据，而是通过收发信机之间的纳秒级极短脉冲来完成数据的传输。
FCC将超宽带信号定义为任何相对带宽不小于20%或者绝对带宽不小于500MHz并满足功率谱限制的信号。 
其中和分别表示功率相对于峰值功率下降10dBm的高端和低端频率。同时FCC为UWB分配了3.1 GHz ~10.6GHz共7.5GHz的频带，还对其辐射功率做出了比FCC Part 15.209更为严格的限制，将其限定在-41.3dBm频带内。
2. UWB信号的时频特征
常见的UWB信号体制有三种：脉冲无线电(Impulse Radio, IR)，单载波调制直序列扩频超宽带(Direct Sequence Ultra Wideband, DS-UWB)和多载波调制多带正交频分多路复用(Multi-Band OFDM Alliance, MBOA)。现代意义上的超宽带指的是脉冲无线电，不同于传统的载波通信技术，它是利用纳秒及纳秒以下具有非正正弦特性的极窄脉冲来进行数据交换。
从频域上讲，超宽带也与传统意义上的窄带和宽带不同，它的信号带宽更大。一般来说，窄带信号指相对带宽(信号带宽和中心频率的比值)小于1%的信号，宽带信号指的是相对带宽在1%和20%之间的信号，而超宽带信号指的是相对带宽不小于20%，或者绝对带宽不小于500MHz的极短脉冲信号。如下表所示

从时域上讲，超宽带通信系统也有别于传统的射频载波通信系统。传统的通信系统通过射频载波进行信号的调制，而UWB信号则是利用脉冲信号进行调制，而调制过程在一个非常宽的频带上完成，并以整个调制过程所持续的时间长度来决定信号的带宽。
3. uwb技术优势
根据信号的定义及特点，UWB技术具有如下优势：
(1)系统容量大，传输速度快
根据香港信道容限公式，带宽越宽，系统的最大传输速率就越大。传统的无线载波通信系统由于频带窄，必须采用多进制的调制方式才能使信号的传输速率达到100Mbps以上，这就要求信噪比在一个很高的水平上，同时也大大增加了系统构建的复杂性。而UWB通信的带宽都在500MHz以上，其传输速率也达到1Gbps以上。
(2)发射功率低
IR-UWB具有1GHz以上的频带宽度，极大的带宽保证了较低的发射功率。在短距离无线通信应用中，发射机发射的UWB信号功率要低于1mW，这大大延长了电池寿命，保证了较长的系统工作时间，同时对人体的辐射危害也更小。
(3)多径分辨率高
UWB信号采用持续时间很短的窄脉冲，具有较强的时间和空间分辨率，系统的多径分辨率高，整个系统能够充分利用发射信号的能量。此外，UWB信号具有良好的抗多径性能，对于信道衰减不敏感，接收机通过分级便可以获得很强的康衰减能力，在室内或者建筑物比较密集的场合可以获得良好的定位效果，同时在进行测距、定位、跟踪时也能达到更高的精度。
(4)系统保密性好
UWB发射功率低，仅在1mW以下。它可以把信号弥散在一个极宽的频带范围内，对于一般的通信信号而言，UWB信号类似于白噪声可以安全低隐藏起来;而UWB信号的功率谱密度要低于普通的环境噪声，要将UWB信号从环境噪声中甄别出来不是一件容易的事情，这很好地保证了UWB信号的安全性。
(5)穿透能力强
窄脉冲具有很强的穿透能力，可以帮助比如警察搜寻隔墙的逃犯，以及解救那些被围困在建筑物里面的人们。
(6)定位精度高
UWB信号具有超宽频带的特性，使得UWB系统的距离分辨精度是其他系统的成千上百倍。UWB信号的距离分辨能力可达到厘米级，这是其它窄带系统望尘莫及的。
依赖于上述这些优点，UWB信号可以轻松穿透常见障碍物的阻隔，并能准确测距定位，因此可以用来构建具有较强通信和测距定位功能的无线定位系统，广泛应用于消防、智能化工厂、机场安检、军事训练等领域。
4. UWB技术应用
UWB技术最早出现在上世纪60年代，主要用于军事雷达。由于它具有隐蔽性好、传输速率高、系统容量大、功耗低、抗干扰能力强等诸多优势，逐渐应用于通信和定位领域。特别是FCC在解除UWB在民用领域的限制后，UWB得到了迅速的发展，常见的应用领域如下：
(1)通信
UWB是一种无线脉冲通信技术，它可以在较短的距离内实现Mbps到Gbps的传输速率，并且抗干扰能力强，广泛应用于室内通信和无线高速LAN等。
(2)雷达
作为UWB的最早应用领域，雷达应用已发展的相当成熟。UWB具有较高的空间分辨率，一般低于目标尺寸，使其具有较强的目标识别能力和空间分辨能力。雷达的主要应用有：探地雷达、穿墙雷达和道路检测等。
(3)定位
军事上，利用UWB技术准确地获得士兵和特警在室内的位置，提高了军队武装的战斗力；民用方面，市面上常见的智能防丢设备也是借助于嵌入其内的UWB芯片来获得准确的距离和位置信息，来保证老人和儿童的人身安全，监狱服刑人员外诊的监控定位也是利用UWB的定位功能。
随着UWB通信技术的不断发展，很多军用和民用场合都需要借助于UWB技术的定位优势来获得精确的位置信息，比如事故现场搜救、室内人员定位等。同时伴随着UWB技术的进步和市场的需求，新的定位业务势必不断涌现。总之，随着UWB技术的不断发展，UWB应用前景将一片光明。

5. uwb定位原理
无线定位系统要实现精确定位，首先要获取定位解算所需的参数信息，然后构建相应的解算模型，根据这些参数信息和模型求解定位目标的准确位置。UWB具有超高的时间和空间分辨率，保证其可以准确获得待定位目标的时间和角度信息，时间信息可以转化为距离信息，最终求得待定位目标的位置。
6. uwb定位精度的影响因素
uwb定位技术是利用脉冲无线电进行测距和测向的。无线电波在传输过程中会受到诸多因素如多路径效应和NLOS的影响。此外定位区域的定位精度还会受到UWB传感器的布设方式和穿透性等因素的影响。
(1)传感器布设方式对定位精度的影响
在实际的定位精度解算过程中，传感器个数增多意味着冗余信息的增多，丰富的冗余信息可以进一步地减小定位误差。但是定位精度并不会随着传感器最佳不断增大，当传感器增加到一定数量后，继续增加传感器对定位精度的贡献并不大。并且传感器个数的增加意味着设备代价的加大。因此怎样在传感器个数和定位精度之间找到平衡从而合理布设UWB传感器是研究传感器布设对定位精度影响的重点。
(2)多路径效应的影响
UWB信号在传播过程中会受到周围环境如墙壁、玻璃和桌面等室内物品的反射和折射，产生多路径效应。信号在延迟、幅值和相位等方面的变化，从而产生能量衰减，信噪比下降，导致首达信号并非直达信号，引起测距误差，定位精度也随之下降。因此，有效地抑制多路径效应可以提高定位精度，目前抑制多径的方法主要有MUSIC、ESPRIT和边缘检测等技术。
(3)NLOS影响
视距传播(LOS)是保证信号测量结果准确的首要和前提条件，当移动定位目标和基站之间不能满足条件时，信号的传播只能在折射和衍射等非视距条件下完成。此时首达脉冲的时间并不代表TOA的真实值，首达脉冲的方向也不是AOA的真实值，这样就会造成一定的定位误差。目前消除非视距误差的方法主要有Wylie法和相关消除法。
(4)人体对定位精度的影响
人体的主要成分是水，水对UWB无线脉冲信号具有较强的吸收作用，导致信号强度衰减，测距信息存在偏差，影响最终的定位效果。
7、Uwb定位系统组成

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