UWB无线定位技术探讨

他诸如AMPS和CDMA系统中也广泛应用，UWB定位采用的也是这种技术。

UWB精确定位的主要思想是基于距离公式(1)的。根据定位的基本物理和几何条件，如果要定位一个三维坐标，至少需要4个参考点，建立4个方程来进行直接计算：

(1)

其中，(x，y，z)和(xi，yi，zi)分别表示需要定位的位置和参考点位置的坐标，to表示需要定位的位置发送信号的时间，是未知数，ti表示参考点位置的到达时间。利用时间差△tij=ti-tj，经过一系列代换，可以减小参考点和需定位坐标之间由于不同步带来的误差，实现差分的时间到达算法(TDOA)，从而简化方程组求解。

在上述理论基础上，求待测点坐标的问题就转换成了解四元二次方程组问题。解这个方程组，目前常用的解析算法是Fang算法，即完成上述代换后，可以先解出待测点坐标z的值。通常，方程有2个解，而期望的解只有1个。若所得的解没有物理意义或者超过了可测量的范围，就视其为无效解。为了提高有解的概率，可以设定5个参考点，这样就有5个不同的组合，产生5组方程组，可以得到5组解，再从中选取最优的解。此外解析算法还有Chan算法、Friedlander算法等。

另一种求解方程组的算法基于最优化的思想，即根据以上建立的数学模型，将定位坐标的目标函数写成

(2)

整理可得到

(3)

其中，。

上述目标函数可以用Guass-Newton迭代算法或Quasi-Newton迭代算法求解。

2.2方案讨论

通常，UWB定位系统设定几个定位参考点(根据实际需要)，以接收待测点(数量上百)发出的高斯脉冲信号。为了避免信号发生碰撞，每个待测点都有自己的代码序列。当一个高斯脉冲中代码序列被参考点收到时，它将在一个时间整合相关器内与当前产生的一个对照序列作比较。当收到信号的位移与对照信号相吻合，即出现一个相关高峰信号。这样就容易判断是否收到正确的代码序列。处理接收到的脉冲序列得到接收时间，从而利用节2.1的算法计算得到待测点的坐标。

上述系统存在许多误差源。发送端的误差包括待测点传送代码序列的处理时间、从MAC层到信道的等待时间以及在物理层比特的传输时间；空间传播误差主要是无线链路的传播环境带来的时延；接收端误差包括物理层比特的接收时间和代码序列传送到应用层的时间。此外，还有NLOS影响、接收噪声与参考点之间的同步以及求解方程带来的误差等，都是在设计系统时需要注意的问题。

目前美国海军已经开发了一种军用的UWB定位系统PAL(PrecisionAssetLocation)，在L波段工作，瞬时带宽可以达到约400MHz。参考点使用高速隧道二级管检测器来进行UWB脉冲的边缘检测，从而可以实现在多径环境中找到第一个到达的脉冲信息，通过优化算法算出待测点坐标。待测点有一个短脉冲发射器，峰值输出功率约0.25W，数据包突发长度40bits，发送周期5s，发射器平均输出功率-79dB/MHz。这个功率比FCC规定的功率还要低38dB。该系统的试验已成功，它在大型集装箱货物环境下可以达到理想的定位精度，但是在小型货物定位时，精度不够理想，改进的PAL系统的商用化正在进行之中。此外，美国AetherWire公司已经开发出最先进的芯片Aether5和Driver2，它是基于COMS和UWB频谱开发的，具有体积小、功耗低、穿透力强，不易被察觉和定位精度高等特点，现已广泛用于消防、反恐等重大领域。

3、前景展望

采用UWB进行无线定位，可以满足未来无线定位的需求，在众多无线定位技术中有相当大的优势，目前的研究表明超宽带定位的精度在实验室环境已经可以达到十几cm。此外，超宽带无线电定位，很容易将定位与通信结合，快速发展的短距离超宽带通信无疑将带动UWB在定位技术的发展，而常规无线电难以做到这一点。虽然无线精确定位技术已有了多年发展，但目前超宽带技术正处于发展初级阶段，精确定位技术的商业化正在进行之中，定位算法还有待改进。随着超宽带技术的不断成熟和发展，市场需求的不断增加，相信不久超宽带定位技术就可以完全实现商业化，精确的超宽带定位系统将会得到广泛应用。