国家 / 地区

UWB定位技术白皮书-6W100

手册下载

UWB定位技术白皮书

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Copyright © 2019 新华三技术有限公司 版权所有,保留一切权利。

非经本公司书面许可,任何单位和个人不得擅自摘抄、复制本文档内容的部分或全部,并不得以任何形式传播。

除新华三技术有限公司的商标外,本手册中出现的其它公司的商标、产品标识及商品名称,由各自权利人拥有。

本文档中的信息可能变动,恕不另行通知。



概述

传统的无线定位系统使用Wi-Fi、蓝牙及Zigbee等技术,基于接收信号强度法(RSSI)来对标签位置进行粗略估计,定位精度低且容易受到干扰,定位稳定性难以适应室内应用的要求。基于超窄脉冲技术的无线定位技术,从根本上解决了这一问题。无线超窄脉冲电磁波,使用脉冲宽度为ns级的无线脉冲信号作为定位载波,是无线定位领域定位精度最高、性能最为稳定的技术。在频域上,由于其占用的频带较宽,因而被称为超宽带(UWBUltra Wideband)技术,且无线功率密度较低,对于其它的无线设备来说相当于噪声信号,不会对其造成干扰,也加强了自身的抗干扰性。基于超宽带的无线定位系统,成为国内领先的高精度无线定位产品。

1.1  产生背景

LBSLocation Based Service,基于位置服务)已经成为人们生活中经常使用甚至必不可少的一种服务,也基于此涌现了大量的创新业务和企业,位置信息也成为互联网时代最关键的业务数据和大数据基础。室外定位技术GPS已经成为事实的行业标准,得到广泛使用,国内的北斗导航系统也成为后起之秀。而人员在室内的活动时间占到80%以上,随着智能终端的普及,可穿戴设备的快速发展,室内定位技术也就越来越受到关注并拓展出很多应用场景和解决方案。特别在各类电力生产企业中,安全生产事关人民群众的生命和财产安全,各级政府一贯高度重视安全生产问题,并采取一系列措施不断加强安全生产工作。如何改变目前工厂生产管理落后的管理模式,实现管理的现代化、信息化成为管理者研究的重要课题。因此,借助灾害预防、事故救助、电子信息化等先进的管理手段是工厂安全生产管理的必然选择。现今,定位技术存在远程监控、风险管理、紧急应变管理、存货物资管理、销售最优化等痛点,对此新华三提供高精度UWB定位技术,可以为企业很好的解决上述问题。

1.2  技术优点

·            传输速率高,系统容量大

根据香农公式C=B*log2(1+S/N)可以看出,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。

·            多径分辨能力强

UWB由于其极高的工作频率和极低的占空比而具有很高的分辨率,窄脉冲的多径信号在时间上不易重叠,很容易分离出多径分量,所以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1030dB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。

·            信息保密性强

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。

·            定位精确

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信号脉冲的宽度为纳秒级,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。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。在很多通信网络的应用中,都需要提供定位跟踪服务,通常利用GPS实现。然而在实际中,在一些情况下,特别是在室内,GPS很难实现精确定位。实现室内环境的精确定位是采用传统无线电的通信网络很难解决的问题,而采用超宽带无线电很容易实现精确的定位。国外公司为军方开发的超宽带通信定位系统,已经从实践上证明了超宽带无线电定位的优越性能。

·            抗干扰能力强

UWB扩频处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特所用的脉冲数。UWB的占空比一般为0.010.001,具有比其它扩频系统高得多的处理增益,抗干扰能力强。一般来说,UWB抗干扰处理增益在50dB以上。

·            发射功率小

由于UWB信号无需载波,而是使用间歇的脉冲来发送数据,脉冲持续时间很短,一般在0.201.5ns之间,有很低的占空因数,在短距离应用中,UWB定位模块的发射功率低于1mw;低发射功率可以延长系统电源工作时间,况且发射功率小,其电磁波辐射对人体和其它设备的影响也会很小。

UWB技术实现

2.1  UWB定位系统模型

图1 UWB定位模型示意图

 

1所示,UWB定位的典型模型中包括如下几部分:

·            每个定位标签以UWB脉冲重复不间断的广播发送数据帧到周围的模块;

·            每个定位模块利用高敏度的短脉冲侦测器测量每个定位标签的数据帧到达接收器天线的时间;

·            定位引擎参考标签发送过来的校准数据,确定标签达到不同定位模块之间的时间差,并利用三点定位技术及优化算法来计算标签位置;

·            定位应用层用来对定位模块和定位引擎进行配置并展示终端的定位结果。

2.2  UWB定位工作机制

2.2.1  UWB技术原理

UWB是一种新型的无载波通信技术,利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。美国联邦通信委员会(FCC)对UWB的定义是:在-10dB处的绝对带宽大于500MHz或相对带宽大于20%的无线电技术。相对带宽的定义表达式是:,其中,分别为功率较峰值功率下降10dB时所对应的高端频率和低端频率,是载波频率或中心频率,=

美国国防高级研究计划署(DARPADefense Advanced Research Projects Agency)对UWB的定义是:在-20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽大于25%

图2 绝对带宽

 

从频域来看,UWB与传统的窄带和宽带不同,它的频带更宽。(通常窄带是指相对带宽小于1%的无线电技术,宽带指相对带宽介于1%~25%之间的无线电技术;超宽带指相对带宽大于25%,且中心频率大于500MHz的无线电技术。)

FCCUWB的定义是从信号带宽的角度来描述无线电信号的,没有指明其具体的实现方式。目前常用的实现方式主要有脉冲无线电(IR-UWB)和调制载波两种。IR-UWB采用窄脉冲序列携带信息,直接通过天线传输,不需要对正弦载波进行调制,因而实现简单,是UWB技术早期采用的方式。而调制载波通常采用多带正交频分复用(MB-OFDM-UWBMultiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing)实现。MB-OFDM-UWB把整个有效带宽分为最小带宽不小于500MHz的若干子带,采用OFDM技术实现,有利于实现低功率的高数据速率传输,适用于室内短距离高速率传输的应用场合。

表1 UWB主要指标

频率范围

3.1GHz10.6GHz

系统功耗

1MW4MW

脉冲宽度

0.2ns1.5ns

重复周期

25ns1ms

发射功率

< -41.3dBm/MHz

数据速率

几十到几百Mbit/s

路径时延

<1ns

多径衰落

<5dB

系统容量

大大高于3G系统

空间容量

1000kB/m

 

2.2.2  UWB定位算法

1. 定位原理

该技术采用TDOATime Difference Of Arrival,到达时间差)原理,利用UWB技术测得定位标签相对于两个不同定位模块之间无线电信号传播的时间差,从而得出定位标签相对于多组定位模块的距离差。根据信号到达两个模块的时间差,则可以确定定位标签位于以这两个模块为焦点的双曲线上。如果有三个以上的模块,则可以建立起多个双曲线方程,这些双曲线方程的交点就是定位标签的二维坐标位置。

距离计算公式:[(x-xi)2+(y-yi)2]-[(x-xj)2+(y-yj)2]=dij2

图3 曲线相交位置

 

 

使用TDOA技术不需要定位标签与定位模块之间进行往复通信,只需要定位标签只发射或只接收UWB信号,故能做到更高的定位容量。但是模块之间还是需要精确的时钟同步。

2. UWB-TDOA模块时钟同步

在典型的TDOA定位系统中,要让TDOA能够正常的工作,需要所有参与定位计算的模块保持一样的基准时钟,目前同步技术分为有线同步和无线同步两种。有线同步指使用光纤、网线等线缆将定位模块直接相互连接或接入同步控制器实现定位模块之间的同步;无线同步指通过无线电信号实现定位模块之间的同步。通常有线同步精度较无线同步高,但由于有线同步需要额外铺设线缆导致有线同步成本较无线同步高,部署难度加大。

图4 时钟同步

 

无线时钟同步原理是首先在一个定位区域内选举出一个主节点,由主节点负责周期性的发送携带时钟同步信息的UWB无线报文,属于同一区域内的所有从节点负责接收主节点的时钟同步报文,并根据时钟同步报文中的信息记录从节点与主节点之间的时钟差异,在后续接收到标签的定位广播报文时,从节点在给标签报文打时间戳时,根据之前记录的时钟差异做时钟补偿处理,这样就做到了所有的模块都处在同一基准时钟,保证了TDOA最终计算结果的可靠性。

2.3  UWB定位方案

2.3.1  UWB组网方案

整个组网由物联网APT300-U定位模块组成,物联网AP一方面可以提供正常的Wi-Fi覆盖功能,同时又做为UWB模块的定位数据传输通道,通过物联网APUWB的定位数据统一收集后上送到绿洲云定位平台,在平台上进行UWBTDOA定位计算,最后将计算结果实时的推送到客户的应用端。

表2 支持特性

主要特性

说明

人员管理

可以添加或者编辑人员信息、人员状态,如黑名单、重要人员等

高精度实时定位

3050cm的定位精度

历史轨迹回放

移动轨迹平滑显示;可以锁定一个人员终端,按时间段播放,显示移动过程(可选择有轨迹或无轨迹);可以锁定一张地图,按时间段播放显示移动过程(可选择有轨迹或无轨迹);轨迹回放过程中可以显示各类报警和声音效果;可以全屏播放;可以保存某一段轨迹录像;可进行多窗口回放

告警管理

越界报警:某些区域属于禁区,未经允许的人员进入将发出报警信息

消失报警设置:人员终端消失有多种因素(如电池没电、人员终端越过信号覆盖区域等)

电池低电报警设置:人员终端每隔一段时间将会向系统报告一次终端当前电量

人员离开告警:当人员在规定的时间内,没有及时办理离开达到一定时间,发出报警信息

电子围栏

危险区域可以设置电子围栏

摄像头联动

可以配合电子围栏进行实时视频画面捕捉

 

图5 组网图

 

2.3.2  UWB部署方案

综合考虑各场景定位要求及定位模块总数量,采用三种部署模式0维、1维和2维达到不同的定位效果。

·            0维定位(0D

即我们所认知的进入检测。通过感知信号强度的方式来判断被定位的标签是否进入感知区域。而UWB定位系统可以通过信号强度和精确距离来判断目标是否进入感知区域。

0维定位适合于小空间或者不重要的区域,我们只想知道目标对象在或不在某区域时就可以采用0维定位,只需要安装1个定位模块就可以实现0维定位。

·            1维定位(1D

该种定位模式一般在狭长的走廊、通道或隧道中使用。由于地形的特殊性,监管平台更多关注的是被定位目标在线型道路上的移动轨迹,不关心目标对象靠左还是靠右走的时候可以用这种定位模式。

1维定位只需保证2个定位模块覆盖即可以完成定位,一般沿着长度方向每隔80或者100米安装一台定位模块。

·            2维定位(2D

该定位模式一般适用于大面积、开阔的室内外区域定位,它能精准的提供被定位目标在一张平面图上所处位置的坐标(xy),从而与地图管理数据对接。

2维定位要保证标签发送的脉冲信号在任意位置都可以被不少于3台定位模块直接接收到而且定位模块安装的长宽比不能超过1:3

6所示:

1:图中走廊内部署了模块1与模块2,通过两个定位模块可以实现1维定位;

2:大面积区域部署模块3、模块4、模块5、模块6,通过四个模块可以实现精确的2维定位;

3:小面积区域通过安装1个模块(模块7或模块8)即可实现标签存在性检测。

图6 三种部署模式

 

典型组网应用

3.1  发电厂

我国是世界上电站规模最大的国家,始终把安全作为第一责任、第一工作,全面推动安全管理工作的标准化和规范化。

UWB定位系统为发电厂提供以下功能:

·            提供统一的、规范化的风险管理平台,有效实现风险的分级管控;

·            有效保障物资财产安全,合理利用;

·            减少巡检难度,及时响应救援,增强员工人身安全保障;

·            有效提高员工行为监管力度,形成良好的作业习惯,减少三违

·            围栏管理,限制进出,实现安全生产。

图7 发电厂

timg

 

3.2  工厂制造

现代制造业生产繁多,生产车间广阔。生产工人数量多。UWB高精度定位系统可帮助实现生产工程的安全管理,提高生产效率,突破生产瓶颈,智能化员工管理与设备维护。

UWB定位系统为工厂提供以下功能:

·            减少人工考勤工作量,提高员工出勤率;

·            提高物资、设备的利用效率,减少人工管理成本;

·            特殊区域限制人员进出及人员滞留时间,实现安全管理;

·            设备自动报修,杜绝漏检;

·            实时显示人员动态信息,实现人员动态管理;

·            及时响应特殊情况,增强员工人身安全保障。

图8 工厂

c

 

3.3  司法/监狱

司法机构/监狱当前的监管手段存在以下问题:不能掌握人员的实时位置、人工点名费时费力、可能出现违规使用手机或其它通信工具的情况、管理融合性不足、对突发事件响应能力有较高要求等。

UWB定位系统为司法机构提供以下功能:

·            主动预警,有效避免事故发生;

·            物联网技术与视频监控结合,再现突发情景,提供视频证据;

·            降低监管人力投入与执法风险,减轻工作压力、节约看管成本、实时记录在押人员位置信息,提供行动轨迹跟踪与回放,有效提高工作人员工作效率;

·            关键位置设立禁区边界,在押人员靠近、非法进入将自动警示,降低监管执法风险。

图9 监狱

a

 

3.4  隧道/管廊

隧道施工过程中作业现场点多面广,安全管控难度大。UWB定位系统可实现集风险管控、人员管理、实时显示、应急救援等功能;保障隧道施工安全、施工质量、施工进度等;采取有力措施强化现场安全风险管控,把规范现场安全管理放在首要位置来抓;查找和改进薄弱环节,防范人身安全事故的发生。

UWB定位系统为隧道/管廊场景提供以下功能:

·            实时显示施工人员位置信息,方便管理人员指挥调度;

·            结合监控,迅速响应安全预警事件;

·            定时考勤,减轻考勤工作量;

·            及时响应救援,有效保障员工人身安全;

·            实现作业现场人员行为管控;

·            物资合理监管,减少人工管理成本。

图10 隧道

d