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    為什么超寬帶可能是室內定位的明日之星?

    時間:2021-7-9 來源:上海北斗導航創新研究院

    超寬帶(UWB),這個上世紀60年代被提出來的技術,最近幾年又重新得到人們的青睞。原來UWB是以通信應用技術方向,被推出來的,現在又同時以高精度定位技術,特別是室內定位,也就是非暴露空間定位技術隆重推出來的。它將定位與通信功能集于一身,顯得特別時髦,特別喜人,特別有吸引力。


    尤其是在2019年9月蘋果的iPhone11發布會宣布其搭載有U1芯片,UWB悄然進入消費類市場,何為悄然?因為蘋果公司在發布會上并未對這顆神秘的芯片做任何介紹。但是,這對于室內定位可能是有劃時代意義的大事,估計今后的五到十年內,UWB會大顯身手。


     

    超寬帶定位是怎么回事情?這里不妨做個簡單介紹。UWB(Ultra Wide Band )即超寬帶技術,它是一種無載波通信技術,利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據,因此其所占的頻譜范圍很寬。UWB定位采用了寬帶脈沖通訊技術,具備極強的抗干擾能力,使定位誤差減小。UWB室內定位技術的出現填補了高精度定位領域的空白,它具有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統復雜度低、能提供0.1米級的定位精度等優點。


    和傳統的無線通信不同,UWB 并不使用載波,而是通過收發低能量的脈沖信號來進行傳輸數據,測距方法是用信號的傳輸時間測量實現的,就是通過計算信號在兩個設備之間的傳輸時間差來確定距離。所以,在小范圍區域內,UWB 可以提供比 Wi-Fi、藍牙更精準的定位結果,蘋果還在英文產品介紹頁中將其稱為“客廳內使用的 GPS 系統”。



    01

    UWB室內定位系統的三個組成部分

    一是UWB定位標簽。定位標簽為有源標簽,能做成不同的形態固定在物體、車輛或佩戴在人員身上使用,在不同應用環境下擁有多變性。它的定位精度最高可達到5-10cm,標簽發出的UWB脈沖信號,通過定位基站(定位傳感器)接收和傳輸。每一個標簽都有唯一的ID號,可通過這個ID號將定位的物體聯系起來,使定位基站(定位傳感器)通過標簽找到實際定位的位置。標簽傳輸信號持續時間很短,能夠允許成百上千的標簽同時定位;

    二是UWB定位基站。定位基站(定位傳感器)可以通過到達時間差(TDOA)測量技術,來確定標簽的位置,并將數據傳輸至網絡控制器及定位引擎軟件,定位測量精度達到厘米級;


    三是應用軟件。應用軟件主要體現為系統功能。UWB室內定位系統基本功能可包括:人員分布,顯示佩戴定位標簽的人員分布情況;人員移動軌跡,通過電子地圖實時顯示一個或多個人員移動軌跡;跟蹤指定人員,地圖隨著標簽的移動自動切換,將鼠標移到標簽上可以看到標簽的當前狀態;電子圍欄,通過平面電子地圖上不同顏色和形狀顯示人員的報警位置狀態。


    02

    UWB室內定位流程

    • 一是每個定位標簽以UWB脈沖重復不間斷發送數據幀;


    • 二是定位標簽發送的UWB脈沖串被定位基站接收;


    • 三是每個定位基站利用高敏度的短脈沖探測器測量每個定位標簽的數據幀到達接收器天線的時間;


    • 四是定位引擎參考標簽發送過來的校準數據,確定標簽達到不同定位基站之間的時間差,并利用三點定位技術及優化算法來計算標簽位置;


    • 五是利用單基站定位一般采用AOA((Angle of Arrival)算法,采用多基站定位多采用TDOA(Time difference of Arrival)算法。


    03

    UWB室內定位主要適用領域

    一是隧道/管廊/地鐵。對施工人員進行實時自動跟蹤,隨時掌握每個員工在隧道的位置及活動軌跡、全隧道人員的位置分布。當遇到突發事故,可以迅速找到被困人員可靠的位置信息,提高搶險救災、安全救護的效率;


    二是整車倉儲。實時追蹤資產和庫存,改進流程,提高搜索效率,減少資源浪費;


    三是石油化工。零延時精確定位人、車、物的實時位置,直觀及時地反映化工業的現場情況、人員狀況,提高石油化工行業安全保障的力度及效率;


    四是醫院/養老院。24小時智能管控,全天候安全守護,實時分析看護人員、來訪人員、病人/老人行為,提升醫院/養老院精細化管理效率;


    五是監獄/公安/司法。UWB室內定位系統可進行人員的進出管理、實時位置查詢、禁區監管、隔離距離控制、人員調度,能對人員的位、行進路線、距離、速度進行監控和統計。


    實際上,UWB精準定位應用與服務遠不止以上幾個方面,由于其精準定位跟蹤所有的人員動物、資產物件和事件流程,在工業互聯網、大眾消費品和數據物聯業,均有遠大的發展前景。


    UWB實質上可以成為一種時空傳感器,是物聯網和大數據不可或缺的伙伴,在高精度室內定位、室內外融合定位、導航通信融合創新多重領域,具有明日之星的光環。


    文章作者:曹沖

    文章內容來源:上海北斗導航創新研究院


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