浅析UWB超宽带定位系统的发展应用

【摘 要】近年来，全球定位系统（GPS）和北斗定位系统的应用日趋广泛，可以轻而易举的实现全球的定位，但在许多场合关于精确定位的应用仍有较大的局限性。首先，对于某些应用，精度依旧太低，无法实现精准的定位，同时由于受电磁干扰的影响，全球定位系统存在一定的死区，在一些封闭的环境中，像大型仓库、封闭的集装箱等，根本无法接收到GPS及北斗信号，定位也就无从说起了。如何实现上述环境的精准定位，已经成为了一个亟待解决的问题。

【关键词】全球定位系统；北斗定位系统；电磁干扰

1.国内外现状

UWB（Ultra-Wide Band）超宽带技术优异的传输特性决定了其在安全领域的地位，所以在1994年以前UWB领域的早期研究，特别是冲击无线电通信领域的研究，属于美国政府的机密计划。1994年以后，许多研究计划才逐渐取消了保密限制，加快了UWB的发展速度。近年来，UWB的研究在国际上倍受重视，各国都在致力于超宽带技术及其产品的开发。

2.系统组成

2.1位置计算服务器

位置计算服务器包括位置计算引擎、图形呈现服务器以及数据信息计算中心，主要进行系统的数据统计和位置信息计算。

2.2定位锚点

主要通过UWB无线链路，同定位标签进行无线的信息交互，工作频率在3-7GHZ，定位精度在15cm。

2.3软件系统

（1）地图管理及设置。

（2）锚点管理。

（3）平台信息管理及设置。

（4）数据呈现。

3.关键技术

3.1脉冲信号加载技术

超宽带无线电中的信息载体为脉冲无线电，脉冲无线电是指以超短脉冲作为信息载体的无线电技术，这种技术的特点是，通过对非常窄（往往小于1ns）的脉冲信号进行调制，以获得非常宽的带宽来传输数据。

3.2无线通信调制技术

UWB无线通信的调制方式有两种：传统的基于脉冲无线电方式和非传统的基于频域的处理方式，其中传统的基于脉冲无线电调制方式又包括脉冲位置调制、脉冲幅度调制等。

3.3信道模型技术

目前尚未有一个通用的UWB信道模型，IEEE 802委员会关于UWB的信道模型提案主要有：Intel的S-V模型、Win-Cassioli模型等。其中修正后的S-V模型被推荐为IEEE 802.15.3a的室内信道模型，该模型能很好拟合UWB实验中得到的数据，已经得到广泛的认可，成为各研究机构进行UWB系统性能仿真的公共信道平台。

3.4天线技术

UWB系统中，通常使用的面天线，它的特点是能产生对称波束，可平衡UWB馈电，因此它能够保证比较好的波形。目前，UWB系统天线设计还处于研究阶段，没有形成有效的统一数学模型。

4.拟解决关键问题

4.1特定区域的精确定位

目前在反恐、应急、救援等应用中，室内定位是一个关注的热点。室内无法利用GPS、北斗等卫星定位系统，需要采用新的技术实现室内定位。UWB凭借其准确的定位优势，采用协作模式与GPS等室外定位系统结合，实现全方位立体化的定位。

4.2远距离分辨率

由雷达分辨理论可知，雷达信号的距离分辨率与其工作带宽有关，工作带宽越宽，其距离分辨率就越高。UWB雷达的距离分辨率相当高，一般可达厘米数量级。

4.3目标识别能力

UWB雷达目标回波由目标的早期响应和晚期响应组成，利用其晚期响应可得到目标的极点信息。对于大多数雷达目标而言，它们的极点具有不变性，即目标的极点与视角无关，只与目标的形状、结构和材料构成有关，是目标的固有属性，因此利用目标的极点可对目标进行识别。另外，利用目标的早期响应可得到目标的一维距离像，这也有利于目标的识别。

4.4目标成像的能力

一般说来目标成像要求有高的距离分辨率和角分辨率，采用超宽带雷达信号，将UWB信号与合成孔径技术相结合，可得到目标高分辨率的三维图像。

4.5发现隐蔽伪装的目标

由于UWB雷达具有较丰富的低频分量，因而具有穿透丛林、树叶，探测地表和墙后目标的能力。这一特点对于探测战场上隐蔽在丛林、草丛中的敌方坦克、火炮等极为有利。另外，隐身目标的隐身手段是针对电磁波某一频段而言，在UWB雷达信号宽频段的照射下，隐身目标的隐身能力会失效。

4.6极强的“四抗”能力

目前雷达面临着电子干扰、隐身技术、反辐射导弹和低空突防的严重威胁。UWB雷达工作频段极宽，隐身目标在它的照射下会原形毕露，电子对抗设备要对UWB雷达信号进行截获、分析和干扰也变得极为困难。由于UWB雷达信号低的截获概率和识别概率，反辐射导弹要想对它进行攻击也变得困难。

5.技术特色和创新点

5.1传输速率高，系统容量大

根据Shamon公式，系统的最大传输速率与系统的带宽成正比。UWB通信的带宽至少为500MHz，其传输速率可达1Gbps以上。传统的无线通信系统因为频带窄，要实现100Mbps以上的传输速率，必须采用多进制调制等方法，这就对信噪比提出很高的要求，同时提高了系统的复杂性。

5.2发射功率低

超宽带无线电的射频带宽可达1GHz以上，所需的平均功率很小。在短距离应用中，UWB发射机的发射功率低于1mw；低发射功率可以延长系统电源工作时间，而且发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小。

5.3多径分辨力高

由于UWB采用持续时间很短的窄脉冲，其时间、空间分辨力很高，系统的多径分辨率很高，因此能充分利用发射信号的能量。实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10-30dB的多径环境，UWB信号的衰落最多不到5dB。多径衰落是无线通信的一大障碍，传统的无线技术容易受到建筑物内部和周围多径的干扰，而UWB信号由于对信道多径衰落不敏感，具有优良的抗多径性能，接收机通过分集可以获得很强的抗衰落能力，特别适合使用在室内等多径密集的场合，同时在进行测距、定位、跟踪时也能达到更高精度。

5.4保密性强

多数情况下，UWB信号的功率谱密度相当于自然的电子噪声，采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。由于UWB的发射功率低，信号隐蔽在环境噪声和其它信号之中，用传统的接收机无法接收和识别，必须采用与发射端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调，因此增强了系统的安全性。

5.5穿透力强

窄脉冲具有很强的穿透力，UwB具有比红外线更广泛的应用，如帮助警察搜寻隔墙的逃犯，以及解救那些被围困在倒塌建筑物罩而的人们。此外，适用于窄带系统的丛林通信模型同样可适用于超宽带系统，超宽带技术还能实现隔墙成像等。

5.6定位精度高

信号的距离分辨力与信号的带宽成正比。由于超宽带信号的超宽频带特性，使得UWB系统的距离分辨精度是其它系统的成百上千倍。UwB信号脉冲宽度在纳秒级，其对应的距离分辨能力可高达厘米级，这是其它窄带系统所无法比拟的。较高的距离分辨精度也使得超宽带系统在完成通信的同时还能实现准确定位、跟踪，定位与通信功能的融合也扩展了超宽带系统的应用范围。

6.结束语

采用UWB进行无线定位，可以满足应用中的无线精确定位的需求，在众多无线定位技术中有相当大的技术优势，目前的研究表明超宽带定位的精度在实验室环境已经可以达到十几厘米，此外，超宽带无线电定位，很容易将定位和通信结合，快速发展的短距离超宽带通信无疑将带动UWB在定位技术上的发展，而常规无线电难以做到这一点。虽然无线精确定位技术已经有了很多年的发展，但目前超宽带技术正处于发展的初级阶段，精确定位技术正在进行中，定位算法还有待改进，随着超宽带技术的不断成熟和发展，在重要物资定位系统、仿真训练系统以及特殊场景的人员定位系统都将有着长远发展前景，对我国信息化建设起到重要的推动作用。

【参考文献】