北斗/UWB：开启室内外定位市场的万亿商机

 

　　文/孙春伟

 

 

　　人们的日常工作和生活都无法摆脱时间与空间的束缚。可以说，自从有了人类，就有了对位置信息的应用需求。我们需要知道自己所处的位置，还要知道怎样才能到达目的地。这个位置，可以是物理世界的坐标，如北斗导航系统提供的以地球为参考系的经纬度；也可以是人们定义的逻辑位置，如某幢大楼的某个房间号。不同的应用场景，需要不同的定位技术和导航手段。随着科技的进步，利用无线电技术进行定位，已成为当下室内外定位需求的主流解决方案，其中最著名的，莫过于北斗、GPS等卫星定位导航系统。

 

 

 

　　北斗卫星导航系统通过地面站监测可以获知某一时刻各个卫星的准确位置，以此位置为参考坐标，再通过测量多个卫星到某一接收机的相对距离，就可以计算出接收机的所在位置。这套系统能够全天候使用，实现广域连续定位，精度可靠，使用便捷。已广泛应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，经济效益和社会效益显著。其美中不足之处是，在一些遮挡、城市峡谷及室内环境下，由于卫星信号微弱，基本不能实现定位。而随着时代的发展，城镇化进程加快，大型建筑日益增多，人类活动越来越多的却是处在室内环境中，越来越多的需求是要求室内定位和导航。比如：地库车辆与人员导航；消防火场救援路径规划；医院、监狱等人员定位管理；大型场馆智能导览与人员安全管理；矿下、变电站人员安全定位管理；物联网、智慧城市建设等等。这些都需要提供准确的室内位置信息，据调查，当前室内导航与位置服务产业有上万亿市场空间。

 

　　当下，国内外众多公司和研究机构都投入了对室内定位产品的开发工作。有代表性的技术门类有：Wi-Fi定位、ZigBee定位、RFID定位、蓝牙定位、UWB超宽带无线电定位等。这些技术都有自己的独到之处，而就其定位功能来说，只有UWB技术能做到分米级定位精度，而其他技术定位精度一般都在几米以外。其细节如下所示：

 

　　俗话说：尺有所长，寸有所短。没有最好的技术，只有最合适的产品。而如今多种定位技术融合，室内外联合定位，打组合拳已成为大势所趋。

 

　　北斗导航和UWB定位作为室外室内两类定位应用领域的独到技术，分别扮演着重要角色。然而人类活动并不能单纯的局限在室内或室外。这就需要将两种技术进行深度融合，以实现室内外定位和导航服务的无缝覆盖。北斗导航系统已为大家熟知，相对来说，UWB技术对人们来说还是比较陌生。今就UWB定位技术的前世今生和工作原理及典型的代表性产品做一个简单说明。
 

 

 

　　UWB，全称UltraWideband，即超宽带，其实它不是某种单一的技术，而应该被描述为一系列实用宽带信号来实现应用的无线电技术。这些无线电技术在很宽的频率范围上工作，并有着不同的信号特性。这种技术可以被用作近距离高速率通信、低速率传感器网络、成像、车载雷达等多个领域，而这些应用的一个一般性特点在于，用低发射功率来换取宽的带宽，从而能够以较低成本获得足够的性能指标。UWB所要求的低发射功率似乎是一个缺点，但是他们有非常宽的带宽，这使得信息可以以很高的速率来传输。

 

　　UWB首次出现在20世纪60年代后期，由于其极强的穿透性而被应用于军事雷达。它也被用于进行军事通信，在这种应用中，军方利用了其信号带宽极宽、对大多数监听设备来说和噪声相似的特点。由于军事上的重视，UWB前十年的发展主要是由军事企业推动。到20世纪90年代，UWB技术不再局限于军事应用而逐渐向商用方向发展。当大家都开始讨论UWB时，UWB信号被认为应该由一系列单脉冲产生。从时域看，每一个脉冲都是尖锐的冲击信号；而从频域看，信号会有很宽的带宽。通过观察分析脉冲信号的陡峭边缘，就可以准确的测量发射源与反射物体之间的距离。时域上的快速上升使得我们更容易知道这个脉冲是什么时候发送的，从而更准确的确定位置信息。这种确定物理位置的能力使得UWB技术可以应用到雷达上，同时，当需要标记位置时，也可以确定UWB发射机的位置。

 

　　简而言之，利用附近地域的节点网络连接，我们可以准确定位到超宽带发射机的位置，其误差只有几厘米。这使其产生了在定位方面的一系列应用，例如为仓库商品加标签、在零售业中商品的检测和监视，以及办公室的访问监控与特定工作场合的人员定位。

 

　　通过添加标签，可以用来解决货物在三维空间（诸如仓库和工厂）中的存放位置。通过布置接收机的网络采用三角区域定位来发现并且定位发射机的位置。从测量效率的角度而言，设置为三角测量区域效果最好。图1显示了一个非常简单的定位网络。其中，每个圆圈代表一个接收机接收范围。当一个发射机发出的信号可以被3个接收机接收时，那么它的位置就可以很容易地得到。如果人们想解决货物的高度测量问题，那么采用四维的接收机就可以做到。其原理和北斗定位系统非常类似。

 

　　任何成功的新技术都可以被描绘成许多特定功能的集合，利用这种技术比先前的技术更好的执行给定的应用需求。消费者对这个技术的成功与否有着最终的决定权。如果产品制造商正试图出售给消费者的产品不能带给消费者好处或者不能吸引消费者，该产品就离成为货架后面的摆设不远了。而要利用好一个新技术，研发出市场需要的产品，这就是各个产品公司尽心尽力要做的事。

 

 

 

　　虽然这种UWB定位技术功能强大，但要依此开发出性能优异，价格又不太高的定位产品，却不是一件简单的事情。目前，掌握UWB定位核心技术，能够独立进行产品开发的公司屈指可数。目前典型的UWB定位系统有Ubisense公司的产品和瑞驰博方（北京）科技公司的“红点实时位置信息系统”，亦称“红点定位系统”。以“红点”为例，其基本架构如图2所示：

 

　　图2.红点定位系统简易结构

 

 

　　1、系统功能

 

　　各部分功能描述如下：

 

　　（1）定位无线传感网

 

　　锚节点与桥节点组成基础定位无线网络，锚节点固定安装在已知位置，作为位置基准；桥节点除具备锚节点功能外，还带有以太网口，通过网络设备（路由器）将定位无线网络与定位服务器互联。当移动节点进入定位无线网络信号覆盖区域时，加入定位无线网络，与锚节点进行UWB信号收发，通过UWB信号到达时间/到达时间差（TOA/TDOA）等算法处理，实现移动节点定位。同时，无线节点设备还预留I/O接口，可集成其他传感器，做传感与控制应用。

 

 

　　（2）RBS定位服务器

 

　　定位服务器负责管理定位无线网络，配置各节点设备参数，计算并存储移动节点的实时位置。服务器采用LINUX操作系统，提供标准的HTTP应用API接口，方便进行二次开发。

 

　　图3.平板电脑3D定位展现界面

 

 

　　（3）客户端

 

　　通过浏览器访问服务器，对系统进行管理，同时，红点定位系统标配2维和3维地图展现界面软件，能直观形象地查询各移动节点位置信息。

 

　　2、系统功能改进和扩展设计

 

　　“红点定位系统”是一套基于UWB技术的实时定位产品，具备UWB技术产品的一系列优点，如：定位精度高（三维空间15-30cm）、良好的干扰和抗干扰性能、消耗电能低、发射功率小等。

 

　　此外，“红点定位系统”还做了一些额外的产品功能改进和扩展设计。

 

　　（1）算法的改进

 

　　UWB定位产品多采用TOA（信号到达时间）和TDOA（信号到达时间差）等算法。这些算法都需要对发射机或接收机等进行时间同步。传统的UWB定位产品大多采用的是硬件方式实现时间同步，或者使用一个时间同步控制器，或者是采用时序连接线缆。这样一来，一方面增加了系统的硬件复杂性，同时也增加了很多成本。瑞驰博方这套“红点定位系统”巧妙地解决了这一问题，利用软件化的方式来实现时间同步。大大节约了成本，降低了UWB定位产品的商业应用门槛。

 

　　（2）功能的扩展

 

　　一般的UWB定位产品绝大多数都只能由服务器计算移动节点位置，也就是说，仅具备位置跟踪或监控功能。而“红点定位系统”除了这一工作模式外，还扩展了一项由移动节点设备自身计算实时位置的功能，不仅可以做位置跟踪，还可以像北斗一样，结合智能终端展现，做室内的实时导航。这就极大的突破了产品的应用范围，在一些室内智能导航、紧急事件救援路线规划等方面，意义重大，价值明显。其在不同模式下的定位过程如下:

 

　　导航模式：首先，确定好锚节点的位置坐标（测定后作为参照值）。然后，几个锚节点同时向移动节点发送UWB信号，由于各锚节点信号传播的速度是一致的，所以只要测量各个信号到达移动节点的飞行时间或飞行时间差，就可以通过计算，确定移动节点的所在位置坐标。

 

　　监控模式：与导航模式定位的不同点在于，由移动节点向各锚节点发射UWB信号，通过计算各锚节点接收到同一移动节点的信号飞行时间或飞行时间差来进行定位。

 

　　3、系统与北斗定位技术的融合

 

　　在室内领域，红点定位系统已能独揽乾坤，但其本质上是属于局域定位技术，仍无法做到独立承担室内室外联合定位的重任。所以要联合北斗等室外定位技术手段，达到强强联合，优势互补的功能整合效果。北斗与UWB的技术融合，可以有三个层次。

 

　　一是松组合方式：北斗导航功能与UWB定位功能相对独立，在室外室内环境切换，实现全场景不间断定位导航功能；

 

　　二是紧组合方式：北斗导航模块与UWB定位模块互为补充、修正，数据深层次融合，同时可利用UWB的测距功能，辅助北斗进行差分定位，提高定位精度。

 

　　三是深组合方式：充分利用北斗和UWB独自拥有的各种功能，进行定位基础上的新功能扩展设计。如：利用UWB的近距离高速率通信能力结合北斗导航，可辅助车联网应用；利用北斗的授时功能辅助提高UWB的快速定位等。

 

　　4、系统的应用范围

 

　　作为一种技术优越的无线实时定位系统，“红点定位系统”在各相关行业的位置服务领域得到了广泛应用和快速推广，典型应用如下：

 

　　·医院人员定位

 

　　·矿井人员定位

 

　　·监狱人员定位

 

　　·智能仓储、贵重物资监控

 

　　·地库停车管理与实时导航

 

　　·商超智能导购

 

　　·变电站巡检位置管理

 

　　·物联网领域其他定位类用途

 

 

 

　　如果说卫星导航的应用仅受想象力制约的话，那么北斗与UWB组合定位导航的应用将有助于开发人的想象力。也许实现这些应用还要付出巨大的心血，经历许多挫折，但我们相信：对于北斗的应用，只有我们敢于想象，才能不断创新！