超寬頻uwb怎麼實現精準室內定位？
隨著科學的發展與進步， GPS已經可以在室外提供穩定、精準的定位導航服務，但在室內或者有障礙物遮擋情況下，GPS因其訊號穿透能力較差而無法實現的室內定位，因此室內定位成為定位導航領域裡的“最後一公里”問題。為解決室內定位這一難題，國內外研究人員嘗試了WLAN技術、射頻識別技術（RFID）、藍芽技術、ZigBee技術等，根據不同場景需求這些技術已經開始廣泛應用，今天我們針對超寬頻uwb技術進行介紹。
何為超寬頻技術？
超寬頻技術（UWB，Ultra Wide Band）技術是一種新型的無線通訊技術。它透過對具有很陡上升和下降時間的衝激脈衝進行直接調製，使訊號具有GHz量級的頻寬。超寬頻技術解決了困擾傳統無線技術多年的有關傳播方面的重大難題，它具有對通道衰落不敏感、發射訊號功率譜密度低、低截獲能力、系統複雜度低、能提供數釐米的定位精度等優點。超寬頻（UWB）在早期被用來應用在近距離高速資料傳輸，近年來國外開始利用其亞納秒級超窄脈衝來做近距離室內定位。
超寬頻定位有哪幾種常用的演算法？
1、RSS法超寬頻定位在使用RSS演算法的時候可以透過測量節點間的能量來估計目標與接收機之間的距離，由於接收訊號的強度與傳播的距離成反比，因此，距離的估算可以透過發射訊號的強度和接收訊號的強度利用衰減模型繁衍得到。超寬頻定位的這種演算法操作簡單，而且成本也很低，但是在計算時需要考慮多徑衰弱和陰影效應的影響。2、AOA法AOA演算法能測量未知點和參考點之間的角度並計算目標的位置。超寬頻定位系統透過多個基站測量從定位目標更先到達接收機的訊號的到達角度，從而估計出定位目標的位置。如果區域內的障礙物比較少，則可以利用AOA演算法獲得較高的定位精度，但是如果定位區域內的障礙物比較多，那麼就要考慮多徑效應的影響。3、TOA/TDOA法當超寬頻定位使用AOA方法來計算時，由於多路徑效應和接收機天線的限制，往往需要較多的感測器同時工作，這樣會增加系統的應用成本。而利用TOA/TDOA聯合定位演算法，可以減少同時工作的感測器數量，並且獲得待定位目標的三維座標。TOA即“到達時間”，這種方式定位是透過Anchor和Tag之間的多次通訊實現的，如下圖：
1、Anchor首先發給Tag一個包，同時記錄下Anchor當前的時間資訊，記為T1。2、Tag收到基站的資訊，返回一個ACK。3、 Anchor收到Tag的ACK，記錄當前的時間資訊，記為T2。4、Anchor計算時間差Tr = T2 - T1，並且根據此計算出距離。d = c * Tr / 2 其中c為光速。當然，實際應用中為了更加靠譜，往往不僅僅是利用兩次通訊來測距，還會有更加複雜的多次通訊來提高精度。對於空間定位，只需要利用SX（球面相交法）便可以得出最後的座標。可見，為了一次定位，每個Anchor和Tag之間要進行兩次通訊，故又將這種定位方式稱為“Two-way-ranging”。這種定位的優勢在於其實現的便捷性和對硬體的寬容，只需要有幾個擺放在不同位置的Anchor和一個Tag便可進行定位，而缺點嘛。。。首先自然是定位速度了，其次，由於每次通訊的質量無法保證，而一對Anchor/Tag又無法做自我的校準，精度自然也會受到影響。TODA即“到達時間差”，這種方式的一次測距是由兩個Anchor和一個Tag實現的。在這種模式下，多個時鐘完全同步的Anchor同時接受來自一個Tag的包，對於不同位置的Anchor，同一個Tag的同一次廣播包到達的時間是不同的，所以便有有以下演算法：1、Tag發出一個廣播包。2、 兩個Anchor接收到同一個包，Anchor1接收到的時間為T1，Anchor2接收到的時間為T1。3、計算時間差Td = T2 - T1。4、 對於至少四個Anchor，可以得到三組這樣的兩兩之間的資訊。5、透過數學方法（multi-lateration）可以解算出Tag的空間座標。由於演算法比較複雜，這裡不再贅述。由此可見，TDOA的優勢首先在於一次定位的通訊次數顯著減少，其次由於是用時間差而非時間進行測距，其精度也比TOA高出一些。但優勢總是以一些代價換來的，TDOA系統中各個Anchor的時鐘必須嚴格同步，由於這種定位本質上是依賴於光速的，所以1ns的固有時鐘誤差便可以造成30cm的固有距離誤差，這一點顯然是不可接受的。而要打造一個間距比較大的同步系統成本又是比較高昂的。
和其他定位技術對比
1、Wi-Fi技術透過無線接入點（包括無線路由器）組成的無線區域網絡（WLAN），可以實現複雜環境中的定位、監測和追蹤任務。它以網路節點（無線接入點）的位置資訊為基礎和前提，採用經驗測試和訊號傳播模型相結合的方式，對已接入的移動裝置進行位置定位，更高度大約在1米至20米之間。如果定位測算僅基於當前連線的Wi-Fi接入點，而不是參照周邊Wi-Fi的訊號強度合成圖，則Wi-Fi定位就很容易存在誤差（例如：定位樓層錯誤）。另外，Wi-Fi接入點通常都只能覆蓋半徑90米左右的區域，而且很容易受到其他訊號的干擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高。2、藍芽技術藍芽通訊是一種短距離低功耗的無線傳輸技術，在室內安裝適當的藍芽區域網接入點後，將網路配置成基於多使用者的基礎網路連線模式，並保證藍芽區域網接入點始終是這個微網路的主裝置。這樣透過檢測訊號強度就可以獲得使用者的位置資訊。藍芽定位主要應用於小範圍定位，例如：單層大廳或倉庫。對於持有集成了藍芽功能移動終端裝置，只要裝置的藍芽功能開啟，藍芽室內定位系統就能夠對其進行位置判斷。不過，對於複雜的空間環境，藍芽定位系統的穩定性稍差，受噪聲訊號干擾大。3、紅外線技術紅外線技術室內定位是透過安裝在室內的感測器接收各移動裝置（紅外線IR標識）發射調製的紅外射線進行定位，具有相對較高的室內定位精度。但是，由於光線不能穿過障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播，容易受其他燈光干擾，並且紅外線的傳輸距離較短，使其室內定位的效果很差。當移動裝置放置在口袋裡或者被牆壁遮擋時，就不能正常工作，需要在每個房間、走廊安裝接收天線，導致總體造價較高。4、超寬頻UWB技術超寬頻技術與傳統通訊技術的定位方法有較大差異，它不需要使用傳統通訊體制中的載波，而是透過傳送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈衝來傳輸資料，可用於室內定位，例如：戰場士兵的位置發現、機器人運動跟蹤等。超寬頻系統與傳統的窄帶系統相比，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統複雜度低、能夠提高定位精度等優點，通常用於室內移動物體的定位跟蹤或導航。5、RFID技術RFID定位技術利用射頻方式進行非接觸式雙向通訊交換資料，實現移動裝置識別和定位的目的。它可以在幾毫秒內得到釐米級定位精度的資訊，且傳輸範圍大、成本較低;不過，由於以下問題未能解決，以RFID定位技術的適用範圍受到侷限。1）RFID不便於整合到移動裝置之中2）作用距離短（一般最長為幾十米）3）使用者的安全隱私保護4）國際標準化6、超聲波技術超聲波定位主要採用反射式測距（發射超聲波並接收由被測物產生的回波後，根據回波與發射波的時間差計算出兩者之間的距離），並透過三角定位等演算法確定物體的位置。超聲波定位整體定位精度較高、系統結構簡單，但容易受多徑效應和非視距傳播的影響，降低定位精度;同時，它還需要大量的底層硬體設施投資，總體成本較高。
