为什么超宽带可能是室内定位的明日之星?

2021-07-09 17:00:13 秘书处 4
超宽带(UWB),这个上世纪60年代被提出来的技术,最近几年又重新得到人们的青睐。原来UWB是以通信应用技术方向,被推出来的,现在又同时以高精度定位技术,特别是室内定位,也就是非暴露空间定位技术隆重推出来的。它将定位与通信功能集于一身,显得特别时髦,特别喜人,特别有吸引力。


尤其是在2019年9月苹果的iPhone11发布会宣布其搭载有U1芯片,UWB悄然进入消费类市场,何为悄然?因为苹果公司在发布会上并未对这颗神秘的芯片做任何介绍。但是,这对于室内定位可能是有划时代意义的大事,估计今后的五到十年内,UWB会大显身手。

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超宽带定位是怎么回事情?这里不妨做个简单介绍。UWB(Ultra Wide Band )即超宽带技术,它是一种无载波通信技术,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。UWB定位采用了宽带脉冲通讯技术,具备极强的抗干扰能力,使定位误差减小。UWB室内定位技术的出现填补了高精度定位领域的空白,它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供0.1米级的定位精度等优点。


和传统的无线通信不同,UWB 并不使用载波,而是通过收发低能量的脉冲信号来进行传输数据,测距方法是用信号的传输时间测量实现的,就是通过计算信号在两个设备之间的传输时间差来确定距离。所以,在小范围区域内,UWB 可以提供比 Wi-Fi、蓝牙更精准的定位结果,苹果还在英文产品介绍页中将其称为“客厅内使用的 GPS 系统”。


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UWB室内定位系统的三个组成部分

一是UWB定位标签。定位标签为有源标签,能做成不同的形态固定在物体、车辆或佩戴在人员身上使用,在不同应用环境下拥有多变性。它的定位精度最高可达到5-10cm,标签发出的UWB脉冲信号,通过定位基站(定位传感器)接收和传输。每一个标签都有唯一的ID号,可通过这个ID号将定位的物体联系起来,使定位基站(定位传感器)通过标签找到实际定位的位置。标签传输信号持续时间很短,能够允许成百上千的标签同时定位;

二是UWB定位基站。定位基站(定位传感器)可以通过到达时间差(TDOA)测量技术,来确定标签的位置,并将数据传输至网络控制器及定位引擎软件,定位测量精度达到厘米级;


三是应用软件。应用软件主要体现为系统功能。UWB室内定位系统基本功能可包括:人员分布,显示佩戴定位标签的人员分布情况;人员移动轨迹,通过电子地图实时显示一个或多个人员移动轨迹;跟踪指定人员,地图随着标签的移动自动切换,将鼠标移到标签上可以看到标签的当前状态;电子围栏,通过平面电子地图上不同颜色和形状显示人员的报警位置状态。

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UWB室内定位流程

  • 一是每个定位标签以UWB脉冲重复不间断发送数据帧;


  • 二是定位标签发送的UWB脉冲串被定位基站接收;


  • 三是每个定位基站利用高敏度的短脉冲探测器测量每个定位标签的数据帧到达接收器天线的时间;


  • 四是定位引擎参考标签发送过来的校准数据,确定标签达到不同定位基站之间的时间差,并利用三点定位技术及优化算法来计算标签位置;


  • 五是利用单基站定位一般采用AOA((Angle of Arrival)算法,采用多基站定位多采用TDOA(Time difference of Arrival)算法。


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UWB室内定位主要适用领域

一是隧道/管廊/地铁对施工人员进行实时自动跟踪,随时掌握每个员工在隧道的位置及活动轨迹、全隧道人员的位置分布。当遇到突发事故,可以迅速找到被困人员可靠的位置信息,提高抢险救灾、安全救护的效率;


二是整车仓储。实时追踪资产和库存,改进流程,提高搜索效率,减少资源浪费;


三是石油化工。零延时精确定位人、车、物的实时位置,直观及时地反映化工业的现场情况、人员状况,提高石油化工行业安全保障的力度及效率;


四是医院/养老院。24小时智能管控,全天候安全守护,实时分析看护人员、来访人员、病人/老人行为,提升医院/养老院精细化管理效率;


五是监狱/公安/司法。UWB室内定位系统可进行人员的进出管理、实时位置查询、禁区监管、隔离距离控制、人员调度,能对人员的位、行进路线、距离、速度进行监控和统计。


实际上,UWB精准定位应用与服务远不止以上几个方面,由于其精准定位跟踪所有的人员动物、资产物件和事件流程,在工业互联网、大众消费品和数据物联业,均有远大的发展前景。


UWB实质上可以成为一种时空传感器,是物联网和大数据不可或缺的伙伴,在高精度室内定位、室内外融合定位、导航通信融合创新多重领域,具有明日之星的光环。

 

文章作者:曹冲

文章内容来源:上海北斗导航创新研究院