/ F, K; q! g5 P3 m7 u0 c2 FUWB信号采用持续时间很短的窄脉冲，具有较强的时间和空间分辨率，系统的多径分辨率高，整个系统就能充分利用发射信号的能量。此外，UWB信号具有良好的抗多径性能，对于信道多径衰落不敏感，接收机通过分级，便可以获得很强的抗衰落能力，在室内或者建筑物比较密集的场合可以获得良好的定位效果，同时在进行测距、定位、跟踪时也能达到更高的精度。 : }* Y2 [, z5 O. P6 F( l' O8 F6 e0 Z/ f2 B: u
(4) 系统保密性好 8 n8 R4 X+ C" b3 y/ j- R4 E, Z u# h e
UWB的发射功率低，信号能够很好地隐蔽在其他类型信号和环境噪声之中，传统的接收机无法识别和接收，必须采用与发射端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调，系统具有较强的系统安全性。 ( K5 Y6 _, J2 b% Y5 @+ G . ~" X3 }5 m. O( B( T6 k(5) 穿透能力强! g5 ]* W; c8 S: P0 c5 @
/ j5 V& j( {0 [( B- X# X0 g窄脉冲具有很强的穿透能力，可以帮助比如警察搜寻隔墙的逃犯，以及解救那些被围困在建筑物里边的人们。 ( E1 [0 o' R# P; O) E, |1 O0 \3 A1 ?6 \ Q% ^5 I
(6) 定位精度高 . `: H5 o5 f0 F: _" ?1 `- ~: M5 `% q" ?9 W; j
UWB信号具有超宽频带的特性，具有较高的空间分辨率，使得UWB系统的距离分辨精度是其它系统的成千上百倍。UWB信号的距离分辨能力可达到厘米级，这是其它窄带系统望尘莫及的。3 b Y! h" N! b. [# R p$ m( o. l4 W ~
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超宽带技术开发了一个具有大容量的无线信道，它还具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱低、测距精度高、系统成本低等优点，受到了人们的普遍重视。利用上述这些优点，超宽带信号对障碍物具有良好的穿透性和精确测距的特点，可以设计具有较强通信功能和定位功能的超宽带脉冲无线定位系统，广泛应用于电力、智能化工厂、施工管控、轨道交通、机场安检、军事训练等领域。0 q. h. G5 w0 y) i) X( N
( r6 a* W1 y5 }0 B& ?2 P; U3 UWB定位技术* d% r+ i0 L+ W* g8 F }) \
3.1 UWB定位技术原理" q' K7 t: G' K
无线定位系统要实现精确定位，首先要获取与位置相关的变量信息，建立相应的数学模型，然后根据这些变量和参数以及数学模型来解算目标的坐标。UWB定位技术具有超高的时间和空间分辨率，保证了UWB可以准确的获得待定位目标的时间和角度信息，时间信息可以转化为距离信息，结合角度信息利用三角定位等几何定位方法求得待定位目标的位置信息。常用的测量角度和时间信息的方法有：基于接收信号强度(received signalstrength, RSS)、基于接收信号到达角度(angle of arrival, AOA)、基于接收信号时间法(time/timedifference of arrival, TOA/TDOA)、AOA和TDOA混合定位法。$ o7 i" e9 x! a; b* c( n
Y, G/ w: x5 U3 X8 A' c3.2 UWB定位算法 , G/ j6 |0 p7 _) G7 Y3.2.1 基于接收信号强度法(RSS)& m5 m8 V/ O8 d P
通过测量节点间的能量来估计目标与接收机之间的距离，由于接收信号的强度与传播的距离成反比，因此，距离的估算可以通过发射信号的强度和接收信号的强度与其之间的关系进行计算。定位原理图如图1所示。虽然这种方法操作简便，成本也较低，但是容易受到多径衰弱和阴影效应的影响，导致定位精度较差。 7 ~! @+ A# S( h' R o8 a / o. B ~: g% k v" R% hBS20 n! ?% ]% U( F& W
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图 1 RSS法定位原理 2 B) e* C* v- \ ' t6 ]1 T* f# F4 T; H7 K& E. s) k3.2.2 基于到达信号角度法（AOA）+ _1 z# J( n% E- v- g! \6 u* i. D
测量未知点和参考点间的角度来解算目标的位置。通过多个基站测量从定位目标最先到达接收机的信号的到达角度，从而估计出定位目标的位置。在二维空间中，假设第 N 个基站的坐标为(xn,yn)移动待测点 MS 的坐标为( x , y )，则通过图2 可以建立基站(basedstation, BS)与待测点(mobilestation, MS)的几何位置关系，该几何关系的表达式为： 2 H" q+ w$ R$ d 5 c" t$ P% _/ `. t6 F; }; ?（2） 9 l+ T9 Z1 H1 T0 @& ?0 \ 4 N3 V# C% S+ O8 j( |& o公式中， 为第N个基站获得的方位角信息，联立两个基站的方程式得方程组(3)，即可求得移动待测点的坐标(x,y)。6 q. M2 D* r7 B" F% v9 d
7 \) @) C0 p- }(3)7 F7 D: A4 u6 e* |" ~2 I, j
7 c7 Q# T v8 Y# w* iMS 8 R) O: f! ~* Y4 s) F2 [1 w5 F# B1 q+ B: C; x" x1 y
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BS1 - i3 c/ w. V6 e; c: J3 p1 D - @+ H# s! X( `图2 AOA法定位原理# ^$ i& P8 R: r; y' C4 g& R
5 z, N! A- l( K5 n' d区域内如果障碍物较少，利用该方法可获得较高的定位精度，但是，如果在障碍物较多的区域中，由于存在多径效应，无法准确获知角度信息，定位误差将会明显增大。 u/ l0 U5 J/ I: q2 S& j. F9 d8 j& }+ W* [% K6 n( @ `
3.2.3 基于接收信号时间法(TOA/TDOA)( O7 h7 V- R7 k1 t% P
基于AOA的定位方式，由于多路径效应和接收机天线等的限制，往往需要较多的传感器同时工作，无疑增加了系统的成本；而基于TOA/TDOA的定位算法要么需要传感器和目标的时间同步，要么需要较多的传感器同时工作，都不是最理想的解决方案。利用AOA/TDOA混合定位的方法，最少只需两个传感器同时工作就可以得到待定位目标的三维坐标。其中AOA角度测量的方法是根据波的干涉原理（如图2所示），从而测出移动目标MS与x轴的夹角。 y& E7 M& w j3 \, @* ?" T+ M, b
6 Q. t4 ]/ f4 z- N7 V, [/ Q! Y! F& NTDOA测距是根据双曲线的定位原理，测得定位目标的UWB信号同时到达两个接收机的时间差，时间差乘以光速可以得到距离差。根据到达两个定点的距离差为定值的轨迹是双曲线的原理，利用两个或者多个双曲线的交点求得待定位点的目标位置。定位原理如下图所示： D7 Q7 l2 H# m' L' a! v2 d$ e* |# b7 @3 H" U4 D
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定位目标: ~' ~7 l- H8 W6 c9 b1 B