基于超宽带技术的室内定位系统

近年来，随着近距离无线电技术的高速发展和无线局域网技术的进步，使得室内定位技术突飞猛进。在开阔的室外环境中，全球定位系统 GPS 提供了非常精确的定位信息，与此同时，人们对室内定位信息的需求也与日俱增，机场、展厅、写字楼、仓库、地下停车场、监狱、军事训练基地等都需要使用准确的室内定位信息，对可用空间和库存物资实现高效的管理。超宽带技术作为近年来新兴发展起来的一种无线电技术，因其特有的性能，能够提供精确的室内位置信息，非常适用于室内定位系统的应用。美国、加拿大、日本等发达国家近年投入了大量的人力、物力对相关技术和产品进行研究和开发。我国正处于信息产业发展的关键时期，应该抓住机遇，争取在室内定位系统这个有着极大现实意义和广阔应用前景的领域有所突破。

1 室内定位系统

典型的室内定位系统大致包括标识、接收机、控制中心等主要部分。标识带有发射电路，附在需要定位的个人或物体上，配置惟一的标识码，发射信号给接收机。接收机安装在建筑物的四周或天花板上，多个接收机相互连接，组成网络。控制中心处理各个接收机得到的数据，通过信号处理、数据融合对标识进行定位，其跟踪系统可以利用标识不同时刻传回的定位信息绘制运动轨迹，推测其未来的运动趋势，还可根据标识所在的区域，查询已知的资源分布图，帮助用户找到所需的设备。

目前，有多种无线技术可以进行室内定位，包括室内 GPS、RFID、IR、WLAN、Bluetooth 以及 UWB，它们都是利用定位网络，通过接收到的信号参数，根据特定的算法对个人或者物体在某一时刻所处的位置进行测量。在应用精度上大致可以分为两类，一类是目标发现(Finding    Applications)，它不需要获得非常精确的位置坐标或者物体的特性，仅需要知道被定位目标的有无或者所在的区域；另一类是“智能空间”应用(Smart Space)，它可以提供非常高的定位精度并能实时监控。本文将从现有的室内定位算法和技术两方面进行介绍。

1.1 室内定位算法

室内定位算法目前基本上是从室外定位算法中借鉴而来，最典型的有临近检测(PD)、信号强度分析法  (RSSI)、到达时间位(TOA)、到达时间差定位(TDOA)以及到达角度定位(AOA)。

• 临近检测(Proximity Detection)。临近检测依靠密集的天线阵列，每个天线的位置已知，根据接收到信号最强的天线区域判定其位置。这种算法的精度与天线的密度有关，普  遍仅能达到米级精度，而且天线位置须是等间隔的。

• 信号强度分析法(Received Signal Strength)。利用接收信号的强度与发射机和接收机之间距离的关系，建立信号的传播模型对目标进行定位。由于这种算法对信道传输模型的依赖性非常  强，多径效应、墙壁的遮挡以及环境条件的变化都会使其精度严重恶化。

• 到达时间定位(Time　Of　Arrival)。标识发射信号到达 3 个以上的接收机，通过测量到达不同接收机所用的时间(须保证时间同步)，可以计算出标识与接收机之间的距离，然后以接收机为圆心、标识与接收机之间的距离为半径做圆，3个圆的交点即为移动终端所在的位置。

• 到达时间差定位(Time　Difference Of Arrival)。这种定位算法与 TOA 类似，只是所测量为时间差而非绝对时间，利用双曲线交叉进行定位。由于，不必满足严格时间同步的要求，使得系统相对简化，所以 TDOA 算法在定位系统中大量被应用。

• 到达角度定位(Angle　Of　Arrival)。这种定位方法通过测量标识到两个接收机的信号到达角度来定位，其定位精度与 TOA 和 TDOA 算法相比有一定差距，并需配置智能天线或其他复杂天线系统，因此在室内多径环境下到达角度定位的方法一般只作为辅助手段。

1.2 室内定位系统

从信号形式上看，红外、超声波和射频无线电是传统室内定位系统主要的三种形式，下面从频率范围、作用距离以及标识和天线大小、造价几方面分别进行介绍。

• RFID。此系统基于信号强度分析法，采用聚合算法对三维空间进行定位，通过标识检测到的信号强弱来表示标识之间的距离，主要用于门禁系统，包括主动RFID和被动 RFID。优点是标识的体积比较小，造价比较低，但是作用距离近，不具有通信能力，而且不便整合到其他的系统之中。采用该技术的代表有 Spoton、Wavetrend和 Bewator Cotag 等公司。

• 红外线室内定位系统。IR 标识通过发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感  器接收进行定位。虽然红外线具有相对较高的室内定位精度，但是由于光线不能穿过障碍物，使得红外射线仅能视距传播。当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就不能正常工作，因此需要在每个房间、走廊安装接收天线，造价较高。目前 Olivetti 研究实验室的 Active Badge系统采用该项技术。

• 超声波室内定位系统。超声波定位主要采用反射式测距法，通过三角定位等算法确定物体的位置。虽然整体的定位精度较高，但  是需要大量的底层硬件设备，因此存在成本较高的缺点。目前 Cricket System 和 Active Bat 采用该技术。

• 蓝牙室内定位系统。蓝牙技术用于室内定位时，采用经验测试与信号传播模型相结合的方式，通过测量信号强度进行定位。其最大的优点是设备体积小、易于集成在 PDA、PC 以及手机中，因此很容易推广普及。理论上，对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备的用户，只要设备的蓝牙功能开启，蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。目前蓝牙室内定位系统的主要不足在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差。目前美国的 Tadlys 等公司正在应用该技术进行相关产品的研发。通过分析可以看出，以上几种室内定位系统各有利弊。虽然目前大多数室内定位系统都能够满足目标定位的简单需求，但是要达到室内“智能空间”的要求，还有一定差距。超宽带信号与传统无线电信号有着根本区别，这种新的信号形式，凭借自身的特性，应用在室内定位系统中，能够使系统在标识大小、功耗、造价、精度、实时性、通信能力以及可扩充性能等方面得到大幅度提升，满足人们对室内定位的新要求。

2 超宽带技术

超宽带(UWB ULTRA WIDEBAND)技术是一项崭新的无线电技术，最早应用在军事上，由于其突出的性能优势也非常适合于民用的各领域，因此近年来各国对 UWB技术格外重视。

超宽带技术是基于极窄脉冲的无线电技术。超宽带探测与传统的探测系统相比较，无论是工作机理还是技术实现都有极大的区别。当无线电探测系统的相对带宽(信号带宽与中心频率的比值)大于 20％时就称之为超宽带探测系统。即要满足。式中的 fh 为频率高端-10dB 下降频点位置，fl 为低端-10dB 下频降点。

实际上，超宽带系统是产生、发射、接收、处理极窄脉冲信号的无线电系统。超宽带系统中发射的脉冲一般是脉宽小于 1ns 的高斯脉冲，这种窄脉冲具有非常宽的频谱。随着相关电子技术的发展，宽度在 0.2ns 以下的窄脉冲产生器已经研究成功，这种窄脉冲的相对带宽接近甚至大于 200％。与传统的无线电探测系统相比较，在超宽带探测系统中不需要载频，能够直接用产生的窄脉冲去激励天线、辐射电磁波来进行目标的探测。

3 超宽带室内定位系统

图 1 所示为超宽带室内定位系统的结构框图。该系统包括被动 UWB 接收机、UWB 参考标识以及若干主动 UWB 标识[7]。

图 2 为超宽带室内定位系统的信号处理框图[8]。标识的时钟从存储器中读出伪随机时间间隔调制编码信息，以控制调制电路多脉冲间隔的变换。经过调制后的时序激励窄脉冲产生电路，产生初级窄脉冲。为了提高探测距离，需要使用脉冲放大电路对脉冲进行放大，提高脉冲幅度后再通过天线向室内空间辐射。每个UWB 接收机在系统时钟的控制下接收标识发射的 UWB 信号。由于在电磁波辐射过程中，必然混杂进各种噪声及干扰信号，因此还必须对这些无用信号进行过滤。经过这些步骤后即得到含有效信息的信号。脉冲的宽度极窄，为了准确地对接收到的信号进行采集，必须对信号进行等效采样。采样后的信号经筛选，提取出有效信息，最后通过中央处理单元的定位算法得到标识的精确位置信息。

3.1 超宽带室内定位系统的特点

3.1.1 高分辨率

探测设备对目标的识别能力取决于其距离分辨率和角度分辨率(方位角和仰角)，而距离分辨率又正比于发射脉冲的时域有效宽度。超宽带室内定位系统因其亚纳秒级极窄脉冲的时间宽度，因此它的距离分辨率极高，可以达到厘米量级。利用这个特性，可以获得更多的室内距离信息。

3.1.2    频谱的有效利用

超宽带室内定位系统在探测过程中发射的是窄脉冲串，但脉冲间的时间间隔不是固定不变的，而是按照特定规律进行伪随机跳变。一般情况下，相互间间隔按照伪随机规律改变后的发射脉冲信号可用公式(1)表示：

其中,Tf 为脉冲重复帧时间；Tc 为时隙(time-　hopping)时间；Cj 为伪随机时隙编码。

将上述变化过程看作窄脉冲串的时间间隔调制。在调制前，对于单个窄脉冲，把很小的功率分配在极宽的频谱范围内，窄脉冲串的功率谱密度达到非常小的量级。脉冲间隔被伪随机调制后，脉冲串的频谱更显示出类似噪声的特性。图 3 是没有经过时间间隔调制的脉冲串的谱线，图 4 是已经进行了伪随机时间间隔调制后脉冲串的频谱。从两图对比可以清晰地看出脉冲串在时间间隔调制前和调制后的频谱变化。类似噪声的特性使得脉冲串功率谱密度继续被平滑。

传统的无线电室内定位系统中所有信息来自特定频率的电磁波，在无线电设备密集的环境中，相互之间距离很近，分配到相同频点的标识可能会接收到其他设备的同频信号，从而出现系统紊乱或错误定位。所以定位系统必须为每个标识都分配专门的工作频点，这种工作模式是对频谱资源的一种浪费。对超宽带系统而言，具有极低的信/扰比门限，平均发射功率很低，如工作范围在几十米以内，所需功率仅需几十到几百微瓦。由于功率谱密度极低，甚至低于环境噪声以下，所以信号不会对其他系统产生不良的干扰，可以与之共享频带，实现共存，最大限度地利用稀缺的频谱资源也是超宽带技术可以没有限制地被用在室内定位领域的一个很重要的原因。

3.1.3 多用户共享

前面所述的伪随机时间间隔调制表达式是对单个用户而言；对于多用户，超宽带系统可以对不同的用户分配不同的伪随机编码，根据不同编码进行脉冲位置调制。类似于无线通信中的多址通信方式。这样在相关接收端，每个用户只能从回波信号中提取按照自身编码调制过的发射信号，其他标识发射回波即使被天线接收也会自动滤除。因此标识能够同时使用同种定位设备，可以互不干扰地共享无线资源。不同用户发射的第 k 个窄脉冲信号如下式：

3.1.4复杂环境工作

在室内环境中，电磁空间环境非常复杂，再加上墙壁等障碍物，接收设备接收到的标识信号必然包含了各种干扰。试验数据表明,复杂环境中多径时延常为纳秒级,当前的相对窄带无线电系统无法对如此小的时延进行分辨。超宽带系统采用纳秒级的离散窄脉冲进行探测,经多径反射的延时信号与直达信号在时间上可以分离, 能够很好地分离出干扰信号，提取出有用信息，具有强抗多径衰落能力。

除上述特点外，超宽带室内定位系统还有很多其他优点，如无中频电路、结构相对简化、硬件易实现、功耗低等。

3.2 室内定位技术比较

表 1 通过评定等级的方式比较现有的几种室内定位技术，用☆☆☆、☆☆、☆表示三个等级，分别为好、中、差。

从表 1 可以看出，UWB 室内定位技术凭借自身的特性，在系统小型化、成本、功耗、精确度等各个方面都具有显著的优势。如果超宽带室内定位系统能够在不违反 FCC 功率限制的前提下再提高一些作用距离、能够进一步将天线以及整体系统小型化，那么超宽带技术将是实现“智能空间”系统的最佳选择。

将超宽带无线电技术应用在室内定位系统中有很多益处，国外已有相关产品投入生产和使用。可以预计，未来的室内定位系统将更加小巧，更易于安装，具有更高的分辨率、稳定性和可靠性，而且超宽带定位系统的智能化也是必然趋势。发展我国自己的超宽带室内定位系统，能产生良好的经济效益和广泛的社会效益。