精細化的行業(yè)應用對定位方案的超高定位精度、大容量、低延遲、高刷新率上都有很高的要求，只有更高精度的定位服務才能滿足。超寬帶室內定位技術的出現填補了高精度室內定位領域的空白。

  何為超寬帶技術?

  超寬帶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，并且時間分辨率較高。傳統(tǒng)的定位技術是根據無線正弦信號的飛行時間或者信號強弱來判別物體位置，但是易受多徑或外界環(huán)境的影響，定位出的位置與實際位置存在誤差，波動較大，定位精度不高。

  而EHIGH恒高(EHIGH)的超寬帶室內定位系統(tǒng)采用了寬帶窄脈沖通訊技術(時間分辨率極高，使定位誤差減小)、多源數據融合(有效提升定位系統(tǒng)的抗干擾能力)以及時間序列信號處理技術(在強多徑復雜環(huán)境中，提取出首達路徑信號)，因此可以實現對定位目標的精準定位。

  為何要提取出首達路徑信號?

  精確定位的關鍵在于，接收節(jié)點能正確接收到發(fā)射節(jié)點所發(fā)送信號的直射路徑。而在實際的無線傳輸環(huán)境中，電磁波會受到墻面，金屬等物體的反射，產生多徑信號。

  因此接收節(jié)點往往不僅能接收到直射路徑，還能接收到反射路徑傳播的信號，并且直射路徑信號和反射路徑信號是相加的關系。

  如果接收節(jié)點不能分離出接收信號中的直射路徑，則接收節(jié)點定位的依據是直射路徑信號和反射信號路徑相加的結果，從而影響時間信息的獲取，對定位精度造成影響。因此為了提高定位的精準度，定位系統(tǒng)需要提取出首達路徑信號。

  超寬帶定位系統(tǒng)是目前業(yè)界精度最高的商用無線定位系統(tǒng)，可實現較高的實時定位精度與定位容量，通常能夠在現實環(huán)境中獲取高達10cm~20cm的二維定位精度。近年來，美國、加拿大、英國、中國等國家都投入了大量的人力和物力來對相關技術和產品進行研究和開發(fā)。

  超寬帶室內定位常用的定位方法

  無線定位測量方法是指分析接收到的無線電波信號的特征參數，然后根據特定算法計算被測對象的位置(二維/三維坐標：經度、緯度、高度)。常用的無線定位方式有如下幾種：信號強度分析法(RSS)、到達角度定位法(AOA)、到達時間定位法(TOA)、到達時間差定位法(TDOA)。

  到達角度定位(AOA)和信號強度分析法(RSS)

  AOA通過獲取被測點到兩個接收機的信號到達角度進行定位，需要配置復雜的天線系統(tǒng)，且角度誤差對定位精度的影響遠比測距誤差大。RSS則根據信號的傳播模型，利用接收信號的強度與信號傳播距離的關系，對目標進行定位。這種方法的定位覆蓋距離較近，且對信道傳輸模型的依賴性非常大，多徑以及環(huán)境條件的變化都會使其精度嚴重惡化，特別是距離估計的精度與信號的帶寬無關，不能發(fā)揮UWB帶寬大的優(yōu)勢。

  所以，RSS和AOA方法一般不單獨用于UWB定位，只能作為輔助手段進行初級粗定位，UWB實現精確定位主要依靠精密測距完成。

  到達時間定位(TOA)

  被測點(標簽)發(fā)射信號到達 3 個以上的參考節(jié)點接收機(基站) ，通過測量到達不同接收機所用的時間，得到發(fā)射點與接收點之間的距離，然后以接收機為圓心，所測得的距離為半徑做圓，3 個圓的交點即為被測點所在的位置。但是 TOA 要求參考節(jié)點與被測點保持嚴格的時間同步，多數應用場合無法滿足這一要求。

  該方法實現過程中，需要測得定位標簽與每個基站的距離信息，從而定位標簽需要與每個基站進行來回通信，因此定位標簽功耗較高。該定位方法的優(yōu)勢在于在定位區(qū)域內外(基站圍成區(qū)域的內外)，都能保持很高的定位精度。

  到達時間差定位(TDOA)

  與 TOA 類似 ，只是測量得到的是時間差而非絕對時間。這種方法只需參考節(jié)點之間保持同步，不要求參考節(jié)點與被測點之間的嚴格的時間同步，使系統(tǒng)相對簡化，所以在定位系統(tǒng)中應用最廣。

  TDOA定位即雙曲線定位，二維定位中需要使用4個定位基站。通過測量標簽到每兩個基站之間的距離差，距離差等于常量即可繪制出雙曲線，而曲線交點即可確定標簽坐標。該方法實現過程中，標簽只需要廣播一次UWB信號即可，因此有利于標簽的功耗及標簽并發(fā)數量。

  EHIGH恒高超寬帶室內定位系統(tǒng)采用了TOA和TDOA兩種定位方法，保證高精度定位效果的同時，大大降低了定位標簽的功耗。

  超寬帶室內定位系統(tǒng)構成

  為了對定位原理深入了解，我們可對定位系統(tǒng)結構進行分析。EHIGH恒高定位系統(tǒng)由應用層、服務層、傳輸層和感知層(定位基站和定位標簽)構成，傳輸層主干網通信方式采用有線或無線的通信方式。系統(tǒng)架構如下圖所示：

  感知層

  感知層主要包括定位基站和定位標簽?；竞蜆撕炇嵌ㄎ幌到y(tǒng)的核心設備，標簽會按時隙廣播攜帶有自身ID號的無線電信號，定位基站接收到標簽發(fā)送的信號后，將接收到信號的時間戳和標簽ID卡號通過主干網傳輸給服務層，完成對標簽卡的定位，基站也可以接收到應用層下發(fā)的指令，完成相關的設置。

  傳輸層

  傳輸層也稱主干通信網(簡稱“主干網”)，是基站與服務層、應用層之間的數據傳輸通道，向下將應用層相關指令傳輸給基站，向上將定位原始數據(標簽與基站之間距離)傳輸給服務層，采用有線光纖方式進行數據傳輸。

  服務層

  通過標簽與覆蓋該區(qū)域定位基站進行測距，頂層通過各基站的位置和標簽距離，通過TDOA算法或者TOA算法解算出標簽坐標。除此之外，服務層還提供了靈活的設備管理和網絡管理功能，以及各項前端功能和應用接口。

  應用層

  通過服務層獲取定位標簽的具體位置，以一維、二維或三維地圖的形式實時顯示標簽的位置，并提供軌跡回放，人員信息管理和呼叫求救等功能。

  此外，應用層還提供websocket接口和http接口，通過websocket接口可獲取標簽卡的實時位置數據，通過http接口可獲取系統(tǒng)相關的數據，因此，該定位系統(tǒng)易于二次開發(fā)和集成。

  超寬帶室內定位的發(fā)展趨勢

  基于超寬帶技術的研究，最初出現于二十世紀五六十年代，在七十年代開始興起，在當時主要是美國將這種技術應用于軍事領域的雷達系統(tǒng)中，2002年之后，超寬帶開始被允許商業(yè)化應用。

  而國內對超寬帶技術的關注始于2003年之后，最初主要是成都電子科技大學、哈工大等高校在做一些理論研究。而到了2012年之后，超寬帶技術開始進入民用領域，國內做超寬帶產品和技術方案的企業(yè)才開始涌現。

  超寬帶定位在眾多無線定位技術中有相當大的優(yōu)勢，可以滿足未來無線定位的需求。此外，與常規(guī)無線電技術相比，超寬帶很容易將定位與通信結合，相對成熟的短距離超寬帶通信必將帶動超寬帶在定位方面的發(fā)展。

  種種跡象表明，全球超寬帶產業(yè)正在進入以千兆寬帶為代表的新一輪蓬勃發(fā)展期。4K/8K超高清視頻、人工智能、虛擬現實、智慧家庭、物聯(lián)網等業(yè)務應用，即將成為人們日常工作與生活的一部分。