【大话UWB定位】之UWB应运而生

2002年2月，FCC（美国联邦通信委员会）开放了UWB（超宽带）技术在民用领域的应用。随后这些年，美国、加拿大、英国、中国等国家都投入了大量的人力、物力来对相关技术和产品进行研究开发，掀起了一股全球范围的研究热潮。今天，我们就要来聊聊这个定位行业的“新晋网红”——UWB定位技术！

1、化繁为简——UWB定位的本质

想要了解UWB定位的本质，先来看看这张图：

 

首先，我们需要在定位区域四个角上，部署上基站，因此基站的位置是可以现场测量出来的，是已知的。想要知道标签位置，其实就是要知道标签与基站之间的距离，再通过标签到多个基站的距离就可计算出标签的具体位置。这就像我们平时描述自己位置时，都会说”我在离某某大楼多少米的地方”，找一个参考物，以自己和它之间的距离，来确定自己的位置。

那么，它们的距离如何测量呢？其实小学课本已经告诉我们方法了，你肯定还记得类似于这样的数学问题：小明每分钟走2m，从A走到B用了3分钟，那A、B之间的距离是多少？这个问题很好解决，因为d=v*t（d：距离、t：时间、v：速度）。

定位系统的距离测量其实也是利用了距离、时间、速度这三者之间的关系。标签、基站之间会相互发送电磁波进行通信，电磁波就相当于上述问题中的小明，并且电磁波的速度是恒定不变的常量，和光速相同。所以要想知道基站、标签之间的距离，就是要先确定电磁波从标签到基站的飞行时间t。

2、看花容易绣花难——飞行时间t这么容易测量吗？

我们可以粗略的计算一下，如果标签和基站之间的距离是30m，那么，电磁波的传播时间是多少？

 

100ns是什么概念？100ns等于1s的1000万分之1。也就是在你眨眼的一秒，电磁波都可以从标签到基站、再从基站到标签跑500万个来回。

先不要着急惊讶，这都还不算什么，真正的困难其实是测量误差。我们都知道测量都是有一定的误差的，测量时间测出来的结果往往都是：

t±Δt，Δt叫做测量误差，误差越小，精度就越高。

如果电磁波实际的飞行时间是100ns，我们测量出来的有可能是101ns、105ns、95ns…

我们再来看看，测量精度要达到10cm，那时间测量误差应该在哪个区间？

 

也就是说定位系统想要精确定位，定位精度要达到10cm，那么测量电磁波飞行时间的误差必须在0.3ns内，困难程度可想而知。

3、山穷水尽——为什么时间误差总会大于0.3ns？

在实际的无线传输环境中，电磁波会受到周围环境如墙壁、玻璃、金属等物体的反射（类似于可见光的反射），产生多径信号。接收节点（基站）往往不仅能接收到直达信号，还能接收到反射路径传播的信号，并且直达路径信号和反射路径信号是相加的关系。

 

所以，定位系统想要精准测量电磁波的飞行时间，实现精确定位，关键在于接收节点能否正确接收到发射节点（标签）所发送信号的直达路径。

如果接收节点不能分离出信号中的直射路径，则接收节点定位的依据是直射路径信号和反射路径信号相加的结果，从而影响时间信息的获取，对定位精度造成影响。因此为了提高定位的精准度，定位系统需要提取出首达路径信号。

为什么反射信号会影响直达信号？假设信号直达的路径长5m，反射信号需要传播的距离总共为7m。我们可以根据距离=速度*时间，计算出基站分别接收到直达信号、反射信号所需时间。

 

也就是说，接收节点接收到直达信号、反射信号的时间差为7ns。

传统窄带信号（如ZigBee）为正弦载波通信，且带宽较窄，完成信号传输所需的时间为几十毫秒。直达信号在7ns时间内不能完成传输，因此，直达信号与反射信号会在时域上重叠，使信号延迟，并在幅值和相位等方面发生了变化，从而产生能量衰减，信噪比下降，导致首达信号并非直达信号，引起测距误差，定位精度也随之下降。

 

4、柳暗花明——UWB定位技术应运而生

俗话说“只要思想不滑坡，办法总比困难多”。UWB定位技术就是解决这些问题的“办法”。

超宽带（UWB）技术是一种无线载波通信技术，即不采用正弦载波，而利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。

从频域来看，超宽带有别于传统的窄带和宽带，它的频域更宽。窄带是指相对宽度（信号带宽与中心频率之比）小于1%，相对带宽在1%到25%之间的被称为宽带，相对带宽大于25%，而且中心频率大于500MHz的被称为UWB。

从时域上讲，超宽带系统有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制，而UWB是利用起、落点的时域脉冲（几十纳秒）直接实现调制，UWB的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行，而且以这一过程中所持续的时间，来决定带宽所占据的频率范围。

UWB时域信号较窄，使得时间分辨率增强，接收多径反射延时信号与直达信号的时间差一般大于脉冲宽度，因此，信号在时域上是可分离的。上述例子中7ns的时间差，足够完成UWB直达信号的传输（传输时长约2ns），因此系统可快速提取出直达信号，实现精确定位。

 

5、冰山一角——UWB远不止如此简单

UWB定位技术能坐上高精度定位行业的“头把交椅”，当然不仅仅是精度高这么简单，以下的三个优点也是它的秘密武器。

1）工作时间短、设备功耗低

UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20ns1.5ns之间，有很空的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW几十mW。民用的UWB设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/100左右，是蓝牙设备所需功率的1/20左右。因此，UWB设备的电池寿命，相对于传统无线设备有着很大的优越性。

2）对其他设备干扰小

由于UWB脉冲极窄、频带极宽，其带宽相当于1000个电视频道或3万个FM广播频道，因此单位频宽内的功率密度相当低。美国FCC对UWB的发射功率做了严格限制，其功率密度甚至低于一般的噪声水平（比如，低于一部笔记本电脑的辐射）。因此，UWB对其他设备的影响微乎其微。

3）1S内可同时工作的标签多，容量高

UWB使用的带宽在1GHz以上，甚至可高达几个GHz，那么每发送一个UWB信号的持续时间就非常短了。通俗一点，我们可以将信号通信看作不同宽度车辆行驶，如自行车（UWB信号）、汽车（窄带信号），马路宽度一定（时间资源），车辆越窄，马路上容纳的车辆就越多，如只有自行车在马路上行驶和只有汽车在马路上行驶时，自行车的容量会大大多于汽车。因此，超宽带系统容量大，可同时容纳成百上千个定位标签同时工作。

 

目前，UWB定位技术的定位精度是其他定位技术中远远不能比拟的。EHIGH恒高UWB定位系统已成功将UWB定位技术和物联网的相结合，定位精度可高达10cm，实现了UWB定位系统在工业4.0、石油化工、电力能源、公安司法等领域的应用。