基于超宽带的室内定位关键技术及应用研究

谭俊英 TAN Jun-ying；陈柏贤 CHEN Bo-xian；郭焰辉 GUO Yan-hui

（华南农业大学珠江学院信息工程学院，广州 510000）

1 超宽带室内定位原理及相关算法

1.1 超宽带室内定位原理

超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术是频率带宽为1GHz 以上的一种无线载波通信技术，超宽带技术的频谱范围很宽，可通过纳秒级非正弦波窄脉冲传输数据。因超宽带技术利用频谱极宽的优点对超宽基带脉冲进行通信，故又称为基带通信技术或无线载波通信技术。

超宽带技术有以下特点：

1.1.1 数据传输速率高

在人们日常使用的民用商品中，会要求超宽带的信号传输范围在10m 以内，而由香农公式（1）我们可以计算出民用商品的数据传输速率可以达到500Mbit/s。

其中，C 为信道容量（网速），B 为信道带宽（占用频率范围），S 为信号功率，N 为噪声功率，S/N 为信噪比。可通过此公式实现从百Mbit/s 到数Gbit/s，具有极高的数据传输速率。超宽带技术是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术，超宽带技术以超宽频率的带宽来换取高速的数据传输，不单独占用已经拥挤不堪的频率资源，而是采用共享其他无线技术使用的频带。

1.1.2 抗多径干扰能力强

在受到如墙壁、窗户等障碍物时，信号在传播过程中会因反射或折射等情况产生多径效应，从而限制其数据的传输速率，降低信号通信的质量。使用超宽带技术通信时，可以在一定程度上降低多径效应。因为超宽带信号是一种间断性发送、持续时间短、占空比低的脉冲信号，所以在多径下和时间上是不重复的。因此超宽带信号可以较为容易地将多径分量分离，从而减少不同分量间的相互干扰。超宽带技术采用的冲击脉冲调制和跳时码调制技术，为定位提供了更高的抗干扰能力。

1.1.3 定位精度高

超宽带是一种基于IEEE.15.4a/z 标准的无线电技术，可以非常精准地测量无线电信号的飞行时间，实现厘米级精度的位置测量。目前超宽带定位技术的定位精度已成为业界内精度最高的商用无线定位系统。在我们的日常生活中，经常会使用到定位系统，如常用的GPS 定位（全球定位系统）。但GPS 定位主要应用于室外，且民用精度为10m。而超宽带定位技术的精度通常能达到10-20cm，并且超宽带无需提供地理位置，只需要通过超宽带无线电定位器就可以给出相对位置。除此之外，基站的覆盖范围在50-70m，覆盖范围相对GPS 较小，因此适用于室内定位。

1.1.4 对信道衰落不敏感

信道是信号传输的通道，是信息传递的通道。无线电信号在经过信道的时候会有从各个途径而来的衰落，接收信号的总功率会出现路径损失、阴影衰落和多径效应这三种表现方式。带宽越大，对信道衰落的波动越小。但是因为超宽带具有很宽的带宽，所以它的功率和频率都不会受到太大的波动。正是由于超宽带技术对信号衰落不敏感的优点，所以当人们工作在深入地下的隧道、大坝等地方施工时，仍然可以保持稳定的信号。

1.1.5 穿透能力强、截获率低

超宽带定位信号有着极强的穿透能力，可以在室内复杂环境和地下环境中进行精确定位。不同的物体对不同的频率的阻挡和吸收是不同的，超宽带信号能穿透树叶、钢筋、水泥、泥土等介质，因此军事上超宽带雷达可用来探测地雷，民用上可用于查找地下金属管道、灾后废墟掩埋人员搜救等。在军事应用中，超宽带技术可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。

1.2 定位测距算法设计与仿真

1.2.1 三点定位算法及仿真

三点定位算法是以所占的位置为圆心，测量的距离为半径，分别在三个位置以此半径画三个圆，三个圆相交为一点，这个交叉点就是需要定位的目标标签位置。因此，在测量过程中，至少需要用到三个基站，以测其半径来画圆。三点定位算法的优点是定位原理简单易懂，计算方式简洁明了。但缺点是，在测量的过程中，对介质中产生的相对误差较为敏感。并且在实际测量中，可能会出现三个圆相交不在同一个点或者三个圆不相交的情况，如图1 所示为三点定位算法测距原理。

图1 三点定位算法测距原理

理想状态下，以三个基站作为定位基础，对三点定位算法进行MATLAB 仿真时，先定义一个1×1m 的定位“围栏”，即标签定位范围，标签定位范围图如图2 所示。

图2 标签定位范围图

在此区域内，设置三个基站的坐标分别为（3,40）、（32,8）、（50,25），然后通过这三个基站的坐标点为圆心、测量距离为半径分别画圆。在这三个圆中，会两两相交于一点，这个相交的点，即为被测量定位标签所处的位置信息，三点定位算法仿真示意图如图3 所示。

图3 三点定位算法仿真示意图

1.2.2 TOF 飞行时间测距算法及仿真

飞行时间测距算法（Time of Flight，TOF），通过测量超宽带信号发出后，在标签与基站之间传播的时间差，可以得到标签与基站之间的距离。超宽带定位基站给超宽带定位标签发送信号，记录下基站发送信号的时间，在标签接收到基站发送的信号后，给基站返回一个应答信号，当基站收到标签发送的应答信号时，记录当前的时间。通过测量脉冲信号从出发到返回的时间，乘以光速v，得到往返一次的距离，再除以2，即为定位标签到定位基站间的距离，并可通过记录多次通信时间的计算来提高精度。TOF飞行时间测距算法的优点是体积小、实现起来简单。缺点是发送和接收设备的时钟同步，并且受到接收设备提供信号的传输时间的长短约束，TOF 飞行时间测距算法原理示意图如图4 所示。

图4 TOF 飞行时间测距算法原理示意图

通过往返时间的时间差，可以得出：

d 为距离，c 为光速，t 为测量得到的飞行时间。TOF 飞行时间测距算法的实现过程主要是先建立UWB 基站，设置好测量范围，然后被测标签会通过基站基于飞行时间进行测距。得到一定的数据后，计算相应的位置信息，再通过计算出来的结果与之前设置好的测量距离值进行比较。

在理想的状态下，通过编写两个函数TOF_LLOP 和TOF_CHAN 得到位置的估计，然后用均方根误差实现两种算法的性能比较，从而得到两种算法的均方根误差的曲线对比图。横坐标为噪声方差，纵坐标为均方根误差，如图5 为TOF 均方根误差图。

图5 TOF 均方根误差图

1.2.3 TWR 双向测距算法及仿真

TWR 双向测距算法（Two-Way Ranging,TWR）包括两个节点：设备A 和设备B，默认设备A 是测距的发起者，设备B 是响应者。TWR 是通过UWB 基站和UWB 标签之间进行多次通信，从而实现定位。假设有两个设备，设备A和设备B，设备A（Device A）主动发送（TX）数据，同时记录发送时间戳，设备B（Device B）接收到之后记录接收时间戳，延时Treply之后，设备B 发送数据，同时记录发送时间戳。设备A 接收数据，同时记录接收时间戳。因此可以拿到两个时间差数据，设备A 的时间差Tround和设备B 的时间差Treply，最终得到无线信号的飞行时间Tprop如下：

TWR 双向测距算法的优点是对同步要求低，并且通过多次发送和接收定位基站的信号，极大地缩短了终端的待机时间。缺点是耗电相对较大，如图6 所示为TWR 双向测距算法测距原理示意图。

图6 TWR 双向测距算法原理示意图

通过编写两个函数TWR_CHAN 和TWR_Taylor 得到基站位置的估计。用均方根误差实现两种算法的性能比较，得到两种算法的均方根误差曲线对比图，横坐标为噪声方差，纵坐标为均方根误差。假定设置参考节点数目为10 个，随机的分布在一个10×10m 的区域范围内，并将参考节点数转化为测距方差，参考节点数目图如图7 所示。

图7 参考节点数目图

2 超宽带室内定位技术的应用

2.1 车辆访问控制

超宽带定位技术因其具有精度、可靠性、安全性高等优点，在车辆访问控制中为遥控无钥匙进入（RKE）技术提供了更多的便利性。随着科技的发展，汽车钥匙也在不断地变革，数字钥匙的存在形式，使人们在使用过程中可以更便捷地解锁和启动汽车。被动式无钥匙进入系统（PKE）和被动式无钥匙启动系统（PEPS）如今已经进入市场，并且已经从豪华车领域扩展到所有新车的预期功能。智能设备集成进入技术取代了传统钥匙，驾驶员无需拿起相关设备，就可直接使用自己的智能手机进行解锁和启动车辆。车辆控制系统是一个安全密钥，可以对指定的车辆进行访问授权。只要准确地定位了授权的智能手机，该系统就能解锁车辆和启动引擎，实现遥控无钥匙进入。早在2016年，大陆集团就和苹果、宝马以及NXP 合作基于UWB 技术的苹果手机数字钥匙。大陆集团车联网及信息工程技术中心也在2020年和媒体代表就超宽带技术和超宽带智能设备集成进入系统（CoSmA）的应用与发展展开了交流和讨论，将超宽带技术融入智能进入系统。在2019年，海拉就成功将传统遥控钥匙中的超宽带技术投入量产。2019年发布的iPhone 11、2020年发布的Apple Watch Series 6以及之后的系列机型均配备苹果自研U1 超宽带芯片，以及谷歌、三星、小米、OPPO 等公司推出的新款手机，都采用微芯片或其他形式实现了车辆访问控制这一功能。

超宽带技术既有测距，又有通信功能，只有在一定范围内才能接受响应。车辆访问控制采用的是TOF 飞行时间测距算法，根据其信号往返的时间差进行定位。接收端需要带有UWB 芯片的手机或手环等通信设备，车上需安装UWB 发射天线。当车辆处于休眠状态时，车上的UWB天线处于广播信号模式，每隔几毫秒到几秒发射一次信号，带有数字钥匙功能的接收设备接近车辆时，会接收到车上UWB 天线所发出的广播信号。由于该广播信号中包含唯一ID 设备信息，接收设备与UWB 天线进行安全密钥确认。确认密钥后，钥匙定位开始启动，车辆根据车上每个天线接收到的信号时间差，定位手机或手环位置。如确认进入到设定值范围内后，才会进行车辆钥匙解锁，完成无钥匙进入操作。广播信号模式示意图如图8 所示。

图8 遥控无钥匙进入（RKE）示意图

2.2 社交隔离

社交隔离，即物理距离，是指人与人之间相隔的一定长度。众所周知，传染性疾病可通过飞沫传播。因此，为防止被传染，除了要戴口罩之外，还应与人保持一定的距离，降低被感染的风险。但是这个“距离”，我们也只能通过卷尺或借助其他的测量工具进行较为准确的位置测量，而一般我们都是通过感觉、大概知道距离。并且当我们身处于熟悉的环境中时，自身感觉是放松的，从而会疏于保持距离。因此，我们可应用超宽带技术进行距离的测量。超宽带定位基站灵活部署，可移动到指定区域。被测量标签可将专门定制的超宽带定位设备佩戴在身上，设定一个“报警值”，当距离小于预设值时，设备会发出报警信号提醒佩戴者要保持安全距离。

超宽带功能可以监测附近多个被测标签的位置，并实时记录多个标签在接触时所持续的时长。此外，因超宽带定位技术的安全性极高，无需登记，后台只需要查询管理员记录，便可以识别穿戴人员，因此佩戴者可以放心地使用，确保了自己的隐私。目前，警尚物联、恩智浦等公司在超宽带室内定位技术领域都开拓了自己的市场，自主研发超宽带定位技术方案和设备。如今疫情已不再成为人们出行的阻碍，已实现社会生活的正常化，迎来了光明。随着国家的不断壮大，科技的不断发展，超宽带室内定位技术在未来各种场合的“社交隔离”方面的应用必将更上一层楼。社交隔离图如图9 所示。

图9 社交隔离图

2.3 无人商店访问

随着生活节奏的加快，人们的消费体验感降低，无人商店访问已成为新零售的重要发展趋势之一。自2016年国际电商巨头亚马逊高调推出无人零售店Amazon Go 准备问世以来，无人便利店便像雨后春笋般涌现。2017年6月初，中国一家叫“缤果盒子”（BingoBox）无人收银便利店首次走出广东，在上海落户，并在全国开设了8 家无人店。同年7 月，《商业观察家》在杭州造物节上实地探访阿里巴巴推出的“淘咖啡”无人零售店，正式面世。其实对于无人超市、无人商店的概念并不新颖，真正吸引我们的是围绕商店的销售以及行业之间的竞争，而是逐渐展现为技术与生态的较量。随着媒体、资本和技术的涌入，无人商店正成为下一个爆炸性的新型业态。

传统商店存在设备老套、耗费人工和时间、商品难以查找等问题。在此背景下，本文提出了基于超宽带室内定位技术下的无人商店访问。通过超宽带技术，将使用位置进行针对性的营销，在商店货架上查找商品会比传统商店更容易。超宽带技术安全性和可靠性高，它会先在确认身份并授权的情况下在商店进行选择和购买商品。付款时提供安全的支付环境，并加快结账流程，节省时间。甚至可以扩展到以汽车作为支付方式，在加油站和停车场等场所提供更快、更优质的服务。通过对商品的精准定位，可以快速、高效地找到我们需要的商品，提供方便快捷的服务。并且零售商可以通过超宽带定位技术的实时数据采集功能，基于采集到的大数据分析有多少顾客进入商店和购买的商品，识别人消费者的购物行为趋势。经过分析，可以更好地调整消费方案和商品种类的进货量等。

无人商店访问在使用超宽带室内定位技术时，首先要在商店内安装一定数量的UWB 定位基站，并且在每样商品中设置一个定位标签，且生成一个二维码方便顾客扫码查找商品。通过扫码查找商品，我们可以将想要购买的商品加入购物车，线上进行购买结算。另外，也可以通过扫描二维码获知各个商品所在的货架的位置，精准来到商品区购买，无人商店扫码查找商品示意图如图10 所示。

图10 无人商店扫码查找商品示意图

3 小结

本论文在基于室内定位的基础上，对超宽带室内定位技术进行了研究。通过三点定位算法、TOF 飞行时间测距算法和TWR 双向测距算法实现了该项技术的定位功能。并且将该项定位技术在车辆访问控制、社区隔离和无人商店访问这三个应用领域上进行分析。随着新的行业应用的不断发掘，成本价格的不断下降，未来超宽带定位技术的研究重点将集中在解决由脉冲穿透性不好而影响精度的问题。