### UWB定位技术详解
#### 一、UWB技术简介
Ultra Wideband（UWB，超宽带）技术，又称脉冲无线电技术，起源于19世纪。UWB技术通过发射脉冲宽度在纳秒级别的快速上升和下降脉冲来进行通信。这些脉冲覆盖的频谱范围广泛，从直流至GHz级别，无需传统窄带调制所需的射频频率变换。经过脉冲成型后，可以直接通过天线发射出去。
UWB信号的时间间隔在10到100皮秒之间，其频谱形状可以通过非常窄的单脉冲形状和天线负载特性来调整。由于UWB信号在时间轴上分布稀疏，因此其功率谱密度非常低，允许在同一射频下同时发射多个UWB信号。UWB信号类似于基带信号，可以采用多种调制方式，如OOK（开关键控）、脉冲键控、脉冲幅度调制或脉位调制。
与传统的将基带信号转换为无线射频的传统无线系统不同，UWB被视为一种在射频上基带传播的方案。在室内环境中，UWB能够在极低的频谱密度下实现高达100Mb/s的数据传输速率。为了进一步提高数据传输速率，UWB应用了丰富的GHz级频谱，并采用了安全信令方法。
基于UWB的宽广频谱特性，美国联邦通信委员会（FCC）在2002年宣布UWB可用于精确测距、金属探测、新一代WLAN和无线通信等领域。为保护GPS、导航和军事通信频段，UWB被限制在3.1-10.6GHz的频段内，且发射功率不超过41dB。
#### 二、UWB定位原理
##### 2.1 UWB定位算法
UWB定位技术主要依赖于定位算法来确定物体的位置。常见的定位算法包括：
- **时差定位技术**：通过测量不同接收点接收到同一信号的时间差来确定位置。
- **信号到达角度测量(AOA)**：通过测量信号到达接收器的角度来确定位置。
- **到达时间定位(TOA)**：通过测量信号从发射点到接收点的时间来确定位置。
- **到达时间差定位(TDOA)**：测量两个或多个接收点接收到同一信号的时间差来确定位置。
其中，TDOA技术是目前最流行的一种方案，不仅适用于GSM系统，在AMPS和CDMA系统中也有广泛应用。UWB定位系统通常也采用这种技术。现代UWB定位系统还能提供3D定位功能，结合TDOA和AOA技术，以实现更准确的定位效果。
##### 2.2 系统构成
以常州唐恩软件科技有限公司生产的Ubisense UWB精确定位系统为例，UWB定位系统由三个主要部分组成：
1. **传感器Sensor**：负责接收UWB脉冲信号。
2. **有源定位标签Tag**：发射带有位置信息的UWB脉冲信号。
3. **定位平台iLocateTRM**：对接收的信号进行处理并计算出位置信息。
在这个系统中，定位标签通过发射UWB脉冲信号给传感器，传感器再通过TDOA和AOA算法分析标签的位置信息，最终通过有线以太网传输给iLocate服务器。iLocateTM定位单元可以实现无缝的蜂窝连接，使得定位空间得以无限扩展。定位标签可以在各个单元之间自由移动，通过定位平台软件分析，将定位目标以虚拟动态三维效果显示出来。
#### 三、UWB定位优势
UWB作为一种新兴的短距离无线通信定位技术，相较于传统通信技术具有明显的优势：
##### 3.1 定位精度高
UWB技术在定位精度方面表现出色。例如，Ubisense UWB系统在传统应用环境中可以稳定达到15厘米的3D定位精度，远优于其他无线定位技术。
| 技术 | 定位精度 |
|------------------|----------|
| Proximity cards | 大约30米 |
| GPS | 5米-20米 |
| Bluetooth | 大约3米 |
| IEEE802.11 | 大约3米 |
| Dedicated RF | 大约3米 |
| Unidirectional UWB | <30厘米 |
| UBIsense UWB | 15厘米（3D） |
##### 3.2 范围覆盖广
UWB属于中短距离通信技术，非常适合构建室内的实时定位系统。随着技术的发展，目前单个传感器定位单元的覆盖面积可达400平方米，信号发射节点与接收节点之间的最大距离可达60米。此外，还可以通过多个定位单元联合工作来按需扩大覆盖范围。
##### 3.3 实时性好
UWB技术能够提供快速且精确的定位更新，适用于需要高实时性的应用场景。
##### 3.4 穿透力强
UWB信号具有良好的穿透能力，即使在复杂的室内环境中也能保持较高的定位精度。
##### 3.5 传输能力强
UWB能够在较宽的频谱上传送极低功率的信号，实现数百Mb/s至数Gb/s的数据传输速率。
##### 3.6 发射功率小
由于UWB信号的功率谱密度较低，因此其发射功率较小，有助于降低能耗和提高设备的电池寿命。
UWB定位技术以其高精度、广覆盖范围、优秀的实时性和穿透力等特点，在室内定位领域展现出巨大的潜力和应用价值。
