導(dǎo)語 |高德地圖、百度地圖、騰訊地圖等手機(jī)地圖上提供的定位導(dǎo)航、路況查詢、位置搜索等實(shí)用功能,極大方便了人們的生活,這背后有賴于智能手機(jī)提供的定位能力(GPS、蜂窩、WIFI等),目標(biāo)用戶主要是人。與此同時(shí),近些年物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展,越來越多的物聯(lián)網(wǎng)終端連上了網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了人與物,甚至物與物之間的互連互通。隨著智能化要求的進(jìn)一步提高和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的進(jìn)一步拓展,除了互聯(lián)互通,解決“物在where”問題也越來越迫切,即IoT定位。本文將介紹一種厘米級(jí)的高精度IoT定位技術(shù) – UWB高精度定位,希望與大家一同交流。
一、什么是UWB
UWB(Ultra Wide Band,超寬帶)技術(shù)是一種新型的無線通信技術(shù),其與傳統(tǒng)通信技術(shù)有很大的差異。
在傳統(tǒng)通信體制中,數(shù)據(jù)傳輸一般都需要使用載波來承載,UWB則不需要,取而代之的是通過發(fā)送和接收具有納秒甚至亞納秒級(jí)的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù),一個(gè)信息比特可映射為數(shù)百個(gè)這樣的脈沖。
根據(jù)傅里葉時(shí)頻變換規(guī)則可知,單周期UWB脈沖時(shí)域?qū)挾仍蕉?,?duì)應(yīng)的頻域帶寬就越寬,這種納秒級(jí)時(shí)域脈沖信號(hào),往往能產(chǎn)生具有GHz量級(jí)的頻域帶寬,如圖1所示。因此這種技術(shù)也稱UWB超寬帶技術(shù)(簡單來說就是帶寬非常大)。
正是這些納秒級(jí)的時(shí)域脈沖,使得UWB信號(hào)具有極高的時(shí)間分辨率,非常適合高精度定位。
圖1 UWB時(shí)域極短脈沖信號(hào)及頻譜
二、UWB定位的技術(shù)特點(diǎn)
1. 高精度
具有厘米級(jí)的高精度定位能力。UWB信號(hào)時(shí)域?qū)挾葮O窄,接收端在測量時(shí),能獲得極高的時(shí)間分辨率,簡單講就是時(shí)間測量準(zhǔn),這是實(shí)現(xiàn)高精度定位的基礎(chǔ)。
同時(shí)它還具有很強(qiáng)的抗多徑能力,不同方向到達(dá)的信號(hào)很難出現(xiàn)疊加干擾,這對(duì)高精度定位也非常有好處。
2. 低功耗
UWB系統(tǒng)使用周期性的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù),脈沖持續(xù)時(shí)間很短,一般在0.20ns~1.5ns之間,占空比非常低,省去了發(fā)送連續(xù)載波的大量功耗,因此功耗可以做到很低。
3. 高安全
UWB通信系統(tǒng)的物理層技術(shù)具有天然的安全性能,其帶寬大,發(fā)射功率譜密度比噪聲還要低,承載的信息淹沒在噪聲中,被截獲和干擾的概率非常低。反之,影響其他無線通信(如WIFI)的概率也非常低??偨Y(jié)起來,就是自己既不干擾別人,別人也很難干擾自己。
4. 低成本
部署UWB定位系統(tǒng),有一定的硬件采購成本,但UWB基站覆蓋范圍大,典型半徑達(dá)50-150米,同樣面積下,需部署的設(shè)備更少。同時(shí),UWB系統(tǒng)一旦部署調(diào)試完畢,幾乎不用再改動(dòng),一次投入,可用10年,運(yùn)營成本極低。
三、UWB定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
整個(gè)UWB定位系統(tǒng)主要包含四個(gè)部分:UWB定位標(biāo)簽、UWB定位基站、IoT定位平臺(tái),以及應(yīng)用平臺(tái),如下圖所示:
圖2 UWB定位系統(tǒng)組成
1. UWB定位標(biāo)簽
UWB定位標(biāo)簽攜帶在目標(biāo)人員和物資中,其周期性發(fā)送上行UWB定位脈沖信號(hào),有工牌、安全帽、腕表等多種形態(tài),適用于不同的應(yīng)用場景,具有低功耗、便攜、防水防塵等特點(diǎn)。
圖3典型UWB基站和標(biāo)簽
2. UWB定位基站
UWB定位基站固定安裝在環(huán)境四周,其接收測量UWB定位標(biāo)簽的脈沖信號(hào)以得到高精度的定位數(shù)據(jù),具有室內(nèi)型、工業(yè)型、防爆型等多種形態(tài),支持多種供電方式和數(shù)據(jù)接口。
3. IoT定位平臺(tái)
接收UWB定位基站的測量數(shù)據(jù),完成高精度位置計(jì)算。圍繞高精度位置,還研發(fā)有熱力圖、電子圍欄、軌跡呈現(xiàn),以及設(shè)備管理等實(shí)用功能,同時(shí)也提供用戶API,便于應(yīng)用側(cè)進(jìn)行二次開發(fā)。
4. 應(yīng)用平臺(tái)
B端客戶借助IoT定位平臺(tái)提供的基礎(chǔ)定位能力拓展業(yè)務(wù),助力企業(yè)智能運(yùn)營、安全生產(chǎn)、降本增效。
在實(shí)際部署中,與智能手機(jī)在公共區(qū)域定位不同,UWB定位常常面向的是工廠、園區(qū)等生產(chǎn)制造場景,由于涉及到生產(chǎn)制造等核心企業(yè)環(huán)節(jié),這類場景對(duì)定位精度的要求比手機(jī)定位要求高得多,通常需要在作業(yè)現(xiàn)場部署專門的定位網(wǎng)絡(luò)(含定位基站和定位標(biāo)簽)。
典型的定位網(wǎng)絡(luò)部署方案如下圖:
圖4 UWB定位網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)
UWB基站一般安裝在定位區(qū)域四周,位置是固定的,一般要安裝至少4個(gè)基站,基站位置和定位精度強(qiáng)相關(guān),需要進(jìn)行精確測量校正。
PoE交換機(jī)與各個(gè)基站連接,實(shí)現(xiàn)基站和IoT定位平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通信,也可以通過PoE方式給基站供電。
UWB標(biāo)簽一般是攜帶在人員或物資上,如工牌、手環(huán)、安全帽等,標(biāo)簽之間是相互獨(dú)立的??傮w而言,安裝和部署都比較簡單方便。
四、UWB定位原理
前文提到,UWB信號(hào)脈沖時(shí)域?qū)挾葮O窄,具有非常高的時(shí)間分辨率,天然適合高精度定位。在UWB位置計(jì)算中應(yīng)用最廣泛的是到達(dá)時(shí)間差法(TDOA),即根據(jù)信號(hào)達(dá)到基站的時(shí)間差來進(jìn)行定位,其原理如下圖所示:
圖5 UWB定位原理圖
UWB定位標(biāo)簽是可移動(dòng)的被定位目標(biāo),其向周圍發(fā)送納秒級(jí)的脈沖信號(hào),固定安裝在周圍的UWB基站接收并測量上述脈沖信號(hào),經(jīng)過濾波、滑動(dòng)相關(guān)等運(yùn)算,各自計(jì)算得到脈沖信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻等定位測量信息。
上述定位測量和基站坐標(biāo)等信息作為TDOA等定位算法的輸入,IoT定位平臺(tái)完成對(duì)UWB標(biāo)簽的高精度位置計(jì)算,并以此為基礎(chǔ),封裝設(shè)備管理、熱力圖、軌跡等多種實(shí)用功能,為應(yīng)用側(cè)提供服務(wù)。
TDOA要求基站之間保持時(shí)鐘同步,UWB基站同步精度非常精準(zhǔn),可以達(dá)到0.1ns以內(nèi)。因此下面假設(shè)UWB基站之間時(shí)鐘是同步的,標(biāo)簽發(fā)送脈沖信號(hào)后,到達(dá)各個(gè)基站所需的時(shí)間是不一樣的,如圖6所示,分別是t1-t4,以基站1作為基準(zhǔn),可以求得其他基站i與基站1的距離差分別為:
其中,c為光速。根據(jù)幾何規(guī)律,平面內(nèi)到兩定點(diǎn)的距離差的絕對(duì)值為定長的點(diǎn)的軌跡形成雙曲線。在這里,兩定點(diǎn)就是基站i與基站1,ri,1為定長的距離差,因此多條雙曲線的交點(diǎn)就是定位位置。
圖6 UWB信號(hào)時(shí)序圖
下面以2D定位為例進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo),設(shè)基站i的坐標(biāo)為(xi, yi),1≤i≤M,目標(biāo)標(biāo)簽的坐標(biāo)為(x, y),標(biāo)簽到基站之間的距離:
則標(biāo)簽到基站i與基站1的TDOA(距離差)值為:
則,
帶入到(1)式,取平方可得:
做差并化簡,有
其中,令
作為待估計(jì)參數(shù)向量,將上式轉(zhuǎn)換為矩陣形式的方程組,
其中,
利用最小二乘法,得到的估計(jì)量為:
上面公式利用M-1個(gè)TDOA 測量值,構(gòu)成了M-1個(gè)雙曲線方程,求解此方程組即可得到標(biāo)簽坐標(biāo)。實(shí)際最終的結(jié)果,還要經(jīng)過濾波、匹配等復(fù)雜算法操作,這里就不一一展開了。
五、應(yīng)用場景
UWB定位主要面向2B領(lǐng)域,可廣泛應(yīng)用于智慧工廠、物流倉儲(chǔ)、智慧樓宇、智慧園區(qū)、建筑施工、數(shù)字機(jī)房、港口機(jī)場、電力能源、公檢法等場景,能深度參與到生產(chǎn)、運(yùn)輸、監(jiān)管、安全等核心環(huán)節(jié)中,助力B端客戶高效運(yùn)營和安全生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)降本增效,期待未來更廣泛多樣化的應(yīng)用。
圖7 UWB定位典型應(yīng)用場景