文/孫春偉

 

 

　　人們的日常工作和生活都無法擺脫時間與空間的束縛。可以說，自從有了人類，就有了對位置信息的應用需求。我們需要知道自己所處的位置，還要知道怎樣才能到達目的地。這個位置，可以是物理世界的坐標，如北斗導航系統提供的以地球為參考系的經緯度；也可以是人們定義的邏輯位置，如某幢大樓的某個房間號。不同的應用場景，需要不同的定位技術和導航手段。隨著科技的進步，利用無線電技術進行定位，已成為當下室內外定位需求的主流解決方案，其中最著名的，莫過于北斗、GPS等衛星定位導航系統。

 

 

 

　　北斗衛星導航系統通過地面站監測可以獲知某一時刻各個衛星的準確位置，以此位置為參考坐標，再通過測量多個衛星到某一接收機的相對距離，就可以計算出接收機的所在位置。這套系統能夠全天候使用，實現廣域連續定位，精度可靠，使用便捷。已廣泛應用于測繪、電信、水利、漁業、交通運輸、森林防火、減災救災和公共安全等諸多領域，經濟效益和社會效益顯著。其美中不足之處是，在一些遮擋、城市峽谷及室內環境下，由于衛星信號微弱，基本不能實現定位。而隨著時代的發展，城鎮化進程加快，大型建筑日益增多，人類活動越來越多的卻是處在室內環境中，越來越多的需求是要求室內定位和導航。比如：地庫車輛與人員導航；消防火場救援路徑規劃；醫院、監獄等人員定位管理；大型場館智能導覽與人員安全管理；礦下、變電站人員安全定位管理；物聯網、智慧城市建設等等。這些都需要提供準確的室內位置信息，據調查，當前室內導航與位置服務產業有上萬億市場空間。

 

　　當下，國內外眾多公司和研究機構都投入了對室內定位產品的開發工作。有代表性的技術門類有：Wi-Fi定位、ZigBee定位、RFID定位、藍牙定位、UWB超寬帶無線電定位等。這些技術都有自己的獨到之處，而就其定位功能來說，只有UWB技術能做到分米級定位精度，而其他技術定位精度一般都在幾米以外。其細節如下所示：

 

　　俗話說：尺有所長，寸有所短。沒有最好的技術，只有最合適的產品。而如今多種定位技術融合，室內外聯合定位，打組合拳已成為大勢所趨。

 

　　北斗導航和UWB定位作為室外室內兩類定位應用領域的獨到技術，分別扮演著重要角色。然而人類活動并不能單純的局限在室內或室外。這就需要將兩種技術進行深度融合，以實現室內外定位和導航服務的無縫覆蓋。北斗導航系統已為大家熟知，相對來說，UWB技術對人們來說還是比較陌生。今就UWB定位技術的前世今生和工作原理及典型的代表性產品做一個簡單說明。
 

 

 

　　UWB，全稱UltraWideband，即超寬帶，其實它不是某種單一的技術，而應該被描述為一系列實用寬帶信號來實現應用的無線電技術。這些無線電技術在很寬的頻率范圍上工作，并有著不同的信號特性。這種技術可以被用作近距離高速率通信、低速率傳感器網絡、成像、車載雷達等多個領域，而這些應用的一個一般性特點在于，用低發射功率來換取寬的帶寬，從而能夠以較低成本獲得足夠的性能指標。UWB所要求的低發射功率似乎是一個缺點，但是他們有非常寬的帶寬，這使得信息可以以很高的速率來傳輸。

 

　　UWB首次出現在20世紀60年代后期，由于其極強的穿透性而被應用于軍事雷達。它也被用于進行軍事通信，在這種應用中，軍方利用了其信號帶寬極寬、對大多數監聽設備來說和噪聲相似的特點。由于軍事上的重視，UWB前十年的發展主要是由軍事企業推動。到20世紀90年代，UWB技術不再局限于軍事應用而逐漸向商用方向發展。當大家都開始討論UWB時，UWB信號被認為應該由一系列單脈沖產生。從時域看，每一個脈沖都是尖銳的沖擊信號；而從頻域看，信號會有很寬的帶寬。通過觀察分析脈沖信號的陡峭邊緣，就可以準確的測量發射源與反射物體之間的距離。時域上的快速上升使得我們更容易知道這個脈沖是什么時候發送的，從而更準確的確定位置信息。這種確定物理位置的能力使得UWB技術可以應用到雷達上，同時，當需要標記位置時，也可以確定UWB發射機的位置。

 

　　簡而言之，利用附近地域的節點網絡連接，我們可以準確定位到超寬帶發射機的位置，其誤差只有幾厘米。這使其產生了在定位方面的一系列應用，例如為倉庫商品加標簽、在零售業中商品的檢測和監視，以及辦公室的訪問監控與特定工作場合的人員定位。

 

　　通過添加標簽，可以用來解決貨物在三維空間（諸如倉庫和工廠）中的存放位置。通過布置接收機的網絡采用三角區域定位來發現并且定位發射機的位置。從測量效率的角度而言，設置為三角測量區域效果最好。圖1顯示了一個非常簡單的定位網絡。其中，每個圓圈代表一個接收機接收范圍。當一個發射機發出的信號可以被3個接收機接收時，那么它的位置就可以很容易地得到。如果人們想解決貨物的高度測量問題，那么采用四維的接收機就可以做到。其原理和北斗定位系統非常類似。

 

　　任何成功的新技術都可以被描繪成許多特定功能的集合，利用這種技術比先前的技術更好的執行給定的應用需求。消費者對這個技術的成功與否有著最終的決定權。如果產品制造商正試圖出售給消費者的產品不能帶給消費者好處或者不能吸引消費者，該產品就離成為貨架后面的擺設不遠了。而要利用好一個新技術，研發出市場需要的產品，這就是各個產品公司盡心盡力要做的事。

 

 

 

　　雖然這種UWB定位技術功能強大，但要依此開發出性能優異，價格又不太高的定位產品，卻不是一件簡單的事情。目前，掌握UWB定位核心技術，能夠獨立進行產品開發的公司屈指可數。目前典型的UWB定位系統有Ubisense公司的產品和瑞馳博方（北京）科技公司的“紅點實時位置信息系統”，亦稱“紅點定位系統”。以“紅點”為例，其基本架構如圖2所示：

 

　　圖2.紅點定位系統簡易結構

 

 

　　1、系統功能

 

　　各部分功能描述如下：

 

　　（1）定位無線傳感網

 

　　錨節點與橋節點組成基礎定位無線網絡，錨節點固定安裝在已知位置，作為位置基準；橋節點除具備錨節點功能外，還帶有以太網口，通過網絡設備（路由器）將定位無線網絡與定位服務器互聯。當移動節點進入定位無線網絡信號覆蓋區域時，加入定位無線網絡，與錨節點進行UWB信號收發，通過UWB信號到達時間/到達時間差（TOA/TDOA）等算法處理，實現移動節點定位。同時，無線節點設備還預留I/O接口，可集成其他傳感器，做傳感與控制應用。

 

 

　　（2）RBS定位服務器

 

　　定位服務器負責管理定位無線網絡，配置各節點設備參數，計算并存儲移動節點的實時位置。服務器采用LINUX操作系統，提供標準的HTTP應用API接口，方便進行二次開發。

 

　　圖3.平板電腦3D定位展現界面

 

 

　　（3）客戶端

 

　　通過瀏覽器訪問服務器，對系統進行管理，同時，紅點定位系統標配2維和3維地圖展現界面軟件，能直觀形象地查詢各移動節點位置信息。

 

　　2、系統功能改進和擴展設計

 

　　“紅點定位系統”是一套基于UWB技術的實時定位產品，具備UWB技術產品的一系列優點，如：定位精度高（三維空間15-30cm）、良好的干擾和抗干擾性能、消耗電能低、發射功率小等。

 

　　此外，“紅點定位系統”還做了一些額外的產品功能改進和擴展設計。

 

　　（1）算法的改進

 

　　UWB定位產品多采用TOA（信號到達時間）和TDOA（信號到達時間差）等算法。這些算法都需要對發射機或接收機等進行時間同步。傳統的UWB定位產品大多采用的是硬件方式實現時間同步，或者使用一個時間同步控制器，或者是采用時序連接線纜。這樣一來，一方面增加了系統的硬件復雜性，同時也增加了很多成本。瑞馳博方這套“紅點定位系統”巧妙地解決了這一問題，利用軟件化的方式來實現時間同步。大大節約了成本，降低了UWB定位產品的商業應用門檻。

 

　　（2）功能的擴展

 

　　一般的UWB定位產品絕大多數都只能由服務器計算移動節點位置，也就是說，僅具備位置跟蹤或監控功能。而“紅點定位系統”除了這一工作模式外，還擴展了一項由移動節點設備自身計算實時位置的功能，不僅可以做位置跟蹤，還可以像北斗一樣，結合智能終端展現，做室內的實時導航。這就極大的突破了產品的應用范圍，在一些室內智能導航、緊急事件救援路線規劃等方面，意義重大，價值明顯。其在不同模式下的定位過程如下:

 

　　導航模式：首先，確定好錨節點的位置坐標（測定后作為參照值）。然后，幾個錨節點同時向移動節點發送UWB信號，由于各錨節點信號傳播的速度是一致的，所以只要測量各個信號到達移動節點的飛行時間或飛行時間差，就可以通過計算，確定移動節點的所在位置坐標。

 

　　監控模式：與導航模式定位的不同點在于，由移動節點向各錨節點發射UWB信號，通過計算各錨節點接收到同一移動節點的信號飛行時間或飛行時間差來進行定位。

 

　　3、系統與北斗定位技術的融合

 

　　在室內領域，紅點定位系統已能獨攬乾坤，但其本質上是屬于局域定位技術，仍無法做到獨立承擔室內室外聯合定位的重任。所以要聯合北斗等室外定位技術手段，達到強強聯合，優勢互補的功能整合效果。北斗與UWB的技術融合，可以有三個層次。

 

　　一是松組合方式：北斗導航功能與UWB定位功能相對獨立，在室外室內環境切換，實現全場景不間斷定位導航功能；

 

　　二是緊組合方式：北斗導航模塊與UWB定位模塊互為補充、修正，數據深層次融合，同時可利用UWB的測距功能，輔助北斗進行差分定位，提高定位精度。

 

　　三是深組合方式：充分利用北斗和UWB獨自擁有的各種功能，進行定位基礎上的新功能擴展設計。如：利用UWB的近距離高速率通信能力結合北斗導航，可輔助車聯網應用；利用北斗的授時功能輔助提高UWB的快速定位等。

 

　　4、系統的應用范圍

 

　　作為一種技術優越的無線實時定位系統，“紅點定位系統”在各相關行業的位置服務領域得到了廣泛應用和快速推廣，典型應用如下：

 

　　·醫院人員定位

 

　　·礦井人員定位

 

　　·監獄人員定位

 

　　·智能倉儲、貴重物資監控

 

　　·地庫停車管理與實時導航

 

　　·商超智能導購

 

　　·變電站巡檢位置管理

 

　　·物聯網領域其他定位類用途

 

 

 

　　如果說衛星導航的應用僅受想象力制約的話，那么北斗與UWB組合定位導航的應用將有助于開發人的想象力。也許實現這些應用還要付出巨大的心血，經歷許多挫折，但我們相信：對于北斗的應用，只有我們敢于想象，才能不斷創新！