文/孫春偉

 

 

　　人們的日常工作和生活都無(wú)法擺脫時(shí)間與空間的束縛。可以說(shuō)，自從有了人類，就有了對(duì)位置信息的應(yīng)用需求。我們需要知道自己所處的位置，還要知道怎樣才能到達(dá)目的地。這個(gè)位置，可以是物理世界的坐標(biāo)，如北斗導(dǎo)航系統(tǒng)提供的以地球?yàn)閰⒖枷档慕?jīng)緯度；也可以是人們定義的邏輯位置，如某幢大樓的某個(gè)房間號(hào)。不同的應(yīng)用場(chǎng)景，需要不同的定位技術(shù)和導(dǎo)航手段。隨著科技的進(jìn)步，利用無(wú)線電技術(shù)進(jìn)行定位，已成為當(dāng)下室內(nèi)外定位需求的主流解決方案，其中最著名的，莫過(guò)于北斗、GPS等衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)。

 

 

 

　　北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)地面站監(jiān)測(cè)可以獲知某一時(shí)刻各個(gè)衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置，以此位置為參考坐標(biāo)，再通過(guò)測(cè)量多個(gè)衛(wèi)星到某一接收機(jī)的相對(duì)距離，就可以計(jì)算出接收機(jī)的所在位置。這套系統(tǒng)能夠全天候使用，實(shí)現(xiàn)廣域連續(xù)定位，精度可靠，使用便捷。已廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、電信、水利、漁業(yè)、交通運(yùn)輸、森林防火、減災(zāi)救災(zāi)和公共安全等諸多領(lǐng)域，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。其美中不足之處是，在一些遮擋、城市峽谷及室內(nèi)環(huán)境下，由于衛(wèi)星信號(hào)微弱，基本不能實(shí)現(xiàn)定位。而隨著時(shí)代的發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，大型建筑日益增多，人類活動(dòng)越來(lái)越多的卻是處在室內(nèi)環(huán)境中，越來(lái)越多的需求是要求室內(nèi)定位和導(dǎo)航。比如：地庫(kù)車輛與人員導(dǎo)航；消防火場(chǎng)救援路徑規(guī)劃；醫(yī)院、監(jiān)獄等人員定位管理；大型場(chǎng)館智能導(dǎo)覽與人員安全管理；礦下、變電站人員安全定位管理；物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市建設(shè)等等。這些都需要提供準(zhǔn)確的室內(nèi)位置信息，據(jù)調(diào)查，當(dāng)前室內(nèi)導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)有上萬(wàn)億市場(chǎng)空間。

 

　　當(dāng)下，國(guó)內(nèi)外眾多公司和研究機(jī)構(gòu)都投入了對(duì)室內(nèi)定位產(chǎn)品的開發(fā)工作。有代表性的技術(shù)門類有：Wi-Fi定位、ZigBee定位、RFID定位、藍(lán)牙定位、UWB超寬帶無(wú)線電定位等。這些技術(shù)都有自己的獨(dú)到之處，而就其定位功能來(lái)說(shuō)，只有UWB技術(shù)能做到分米級(jí)定位精度，而其他技術(shù)定位精度一般都在幾米以外。其細(xì)節(jié)如下所示：

 

　　俗話說(shuō)：尺有所長(zhǎng)，寸有所短。沒有最好的技術(shù)，只有最合適的產(chǎn)品。而如今多種定位技術(shù)融合，室內(nèi)外聯(lián)合定位，打組合拳已成為大勢(shì)所趨。

 

　　北斗導(dǎo)航和UWB定位作為室外室內(nèi)兩類定位應(yīng)用領(lǐng)域的獨(dú)到技術(shù)，分別扮演著重要角色。然而人類活動(dòng)并不能單純的局限在室內(nèi)或室外。這就需要將兩種技術(shù)進(jìn)行深度融合，以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外定位和導(dǎo)航服務(wù)的無(wú)縫覆蓋。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已為大家熟知，相對(duì)來(lái)說(shuō)，UWB技術(shù)對(duì)人們來(lái)說(shuō)還是比較陌生。今就UWB定位技術(shù)的前世今生和工作原理及典型的代表性產(chǎn)品做一個(gè)簡(jiǎn)單說(shuō)明。
 

 

 

　　UWB，全稱UltraWideband，即超寬帶，其實(shí)它不是某種單一的技術(shù)，而應(yīng)該被描述為一系列實(shí)用寬帶信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的無(wú)線電技術(shù)。這些無(wú)線電技術(shù)在很寬的頻率范圍上工作，并有著不同的信號(hào)特性。這種技術(shù)可以被用作近距離高速率通信、低速率傳感器網(wǎng)絡(luò)、成像、車載雷達(dá)等多個(gè)領(lǐng)域，而這些應(yīng)用的一個(gè)一般性特點(diǎn)在于，用低發(fā)射功率來(lái)?yè)Q取寬的帶寬，從而能夠以較低成本獲得足夠的性能指標(biāo)。UWB所要求的低發(fā)射功率似乎是一個(gè)缺點(diǎn)，但是他們有非常寬的帶寬，這使得信息可以以很高的速率來(lái)傳輸。

 

　　UWB首次出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代后期，由于其極強(qiáng)的穿透性而被應(yīng)用于軍事雷達(dá)。它也被用于進(jìn)行軍事通信，在這種應(yīng)用中，軍方利用了其信號(hào)帶寬極寬、對(duì)大多數(shù)監(jiān)聽設(shè)備來(lái)說(shuō)和噪聲相似的特點(diǎn)。由于軍事上的重視，UWB前十年的發(fā)展主要是由軍事企業(yè)推動(dòng)。到20世紀(jì)90年代，UWB技術(shù)不再局限于軍事應(yīng)用而逐漸向商用方向發(fā)展。當(dāng)大家都開始討論UWB時(shí)，UWB信號(hào)被認(rèn)為應(yīng)該由一系列單脈沖產(chǎn)生。從時(shí)域看，每一個(gè)脈沖都是尖銳的沖擊信號(hào)；而從頻域看，信號(hào)會(huì)有很寬的帶寬。通過(guò)觀察分析脈沖信號(hào)的陡峭邊緣，就可以準(zhǔn)確的測(cè)量發(fā)射源與反射物體之間的距離。時(shí)域上的快速上升使得我們更容易知道這個(gè)脈沖是什么時(shí)候發(fā)送的，從而更準(zhǔn)確的確定位置信息。這種確定物理位置的能力使得UWB技術(shù)可以應(yīng)用到雷達(dá)上，同時(shí)，當(dāng)需要標(biāo)記位置時(shí)，也可以確定UWB發(fā)射機(jī)的位置。

 

　　簡(jiǎn)而言之，利用附近地域的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連接，我們可以準(zhǔn)確定位到超寬帶發(fā)射機(jī)的位置，其誤差只有幾厘米。這使其產(chǎn)生了在定位方面的一系列應(yīng)用，例如為倉(cāng)庫(kù)商品加標(biāo)簽、在零售業(yè)中商品的檢測(cè)和監(jiān)視，以及辦公室的訪問監(jiān)控與特定工作場(chǎng)合的人員定位。

 

　　通過(guò)添加標(biāo)簽，可以用來(lái)解決貨物在三維空間（諸如倉(cāng)庫(kù)和工廠）中的存放位置。通過(guò)布置接收機(jī)的網(wǎng)絡(luò)采用三角區(qū)域定位來(lái)發(fā)現(xiàn)并且定位發(fā)射機(jī)的位置。從測(cè)量效率的角度而言，設(shè)置為三角測(cè)量區(qū)域效果最好。圖1顯示了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的定位網(wǎng)絡(luò)。其中，每個(gè)圓圈代表一個(gè)接收機(jī)接收范圍。當(dāng)一個(gè)發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)可以被3個(gè)接收機(jī)接收時(shí)，那么它的位置就可以很容易地得到。如果人們想解決貨物的高度測(cè)量問題，那么采用四維的接收機(jī)就可以做到。其原理和北斗定位系統(tǒng)非常類似。

 

　　任何成功的新技術(shù)都可以被描繪成許多特定功能的集合，利用這種技術(shù)比先前的技術(shù)更好的執(zhí)行給定的應(yīng)用需求。消費(fèi)者對(duì)這個(gè)技術(shù)的成功與否有著最終的決定權(quán)。如果產(chǎn)品制造商正試圖出售給消費(fèi)者的產(chǎn)品不能帶給消費(fèi)者好處或者不能吸引消費(fèi)者，該產(chǎn)品就離成為貨架后面的擺設(shè)不遠(yuǎn)了。而要利用好一個(gè)新技術(shù)，研發(fā)出市場(chǎng)需要的產(chǎn)品，這就是各個(gè)產(chǎn)品公司盡心盡力要做的事。

 

 

 

　　雖然這種UWB定位技術(shù)功能強(qiáng)大，但要依此開發(fā)出性能優(yōu)異，價(jià)格又不太高的定位產(chǎn)品，卻不是一件簡(jiǎn)單的事情。目前，掌握UWB定位核心技術(shù)，能夠獨(dú)立進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)的公司屈指可數(shù)。目前典型的UWB定位系統(tǒng)有Ubisense公司的產(chǎn)品和瑞馳博方（北京）科技公司的“紅點(diǎn)實(shí)時(shí)位置信息系統(tǒng)”，亦稱“紅點(diǎn)定位系統(tǒng)”。以“紅點(diǎn)”為例，其基本架構(gòu)如圖2所示：

 

　　圖2.紅點(diǎn)定位系統(tǒng)簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)

 

 

　　1、系統(tǒng)功能

 

　　各部分功能描述如下：

 

　　（1）定位無(wú)線傳感網(wǎng)

 

　　錨節(jié)點(diǎn)與橋節(jié)點(diǎn)組成基礎(chǔ)定位無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，錨節(jié)點(diǎn)固定安裝在已知位置，作為位置基準(zhǔn)；橋節(jié)點(diǎn)除具備錨節(jié)點(diǎn)功能外，還帶有以太網(wǎng)口，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器）將定位無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與定位服務(wù)器互聯(lián)。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入定位無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋區(qū)域時(shí)，加入定位無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，與錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行UWB信號(hào)收發(fā)，通過(guò)UWB信號(hào)到達(dá)時(shí)間/到達(dá)時(shí)間差（TOA/TDOA）等算法處理，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位。同時(shí)，無(wú)線節(jié)點(diǎn)設(shè)備還預(yù)留I/O接口，可集成其他傳感器，做傳感與控制應(yīng)用。

 

 

　　（2）RBS定位服務(wù)器

 

　　定位服務(wù)器負(fù)責(zé)管理定位無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，配置各節(jié)點(diǎn)設(shè)備參數(shù)，計(jì)算并存儲(chǔ)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置。服務(wù)器采用LINUX操作系統(tǒng)，提供標(biāo)準(zhǔn)的HTTP應(yīng)用API接口，方便進(jìn)行二次開發(fā)。

 

　　圖3.平板電腦3D定位展現(xiàn)界面

 

 

　　（3）客戶端

 

　　通過(guò)瀏覽器訪問服務(wù)器，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理，同時(shí)，紅點(diǎn)定位系統(tǒng)標(biāo)配2維和3維地圖展現(xiàn)界面軟件，能直觀形象地查詢各移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置信息。

 

　　2、系統(tǒng)功能改進(jìn)和擴(kuò)展設(shè)計(jì)

 

　　“紅點(diǎn)定位系統(tǒng)”是一套基于UWB技術(shù)的實(shí)時(shí)定位產(chǎn)品，具備UWB技術(shù)產(chǎn)品的一系列優(yōu)點(diǎn)，如：定位精度高（三維空間15-30cm）、良好的干擾和抗干擾性能、消耗電能低、發(fā)射功率小等。

 

　　此外，“紅點(diǎn)定位系統(tǒng)”還做了一些額外的產(chǎn)品功能改進(jìn)和擴(kuò)展設(shè)計(jì)。

 

　　（1）算法的改進(jìn)

 

　　UWB定位產(chǎn)品多采用TOA（信號(hào)到達(dá)時(shí)間）和TDOA（信號(hào)到達(dá)時(shí)間差）等算法。這些算法都需要對(duì)發(fā)射機(jī)或接收機(jī)等進(jìn)行時(shí)間同步。傳統(tǒng)的UWB定位產(chǎn)品大多采用的是硬件方式實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，或者使用一個(gè)時(shí)間同步控制器，或者是采用時(shí)序連接線纜。這樣一來(lái)，一方面增加了系統(tǒng)的硬件復(fù)雜性，同時(shí)也增加了很多成本。瑞馳博方這套“紅點(diǎn)定位系統(tǒng)”巧妙地解決了這一問題，利用軟件化的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。大大節(jié)約了成本，降低了UWB定位產(chǎn)品的商業(yè)應(yīng)用門檻。

 

　　（2）功能的擴(kuò)展

 

　　一般的UWB定位產(chǎn)品絕大多數(shù)都只能由服務(wù)器計(jì)算移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置，也就是說(shuō)，僅具備位置跟蹤或監(jiān)控功能。而“紅點(diǎn)定位系統(tǒng)”除了這一工作模式外，還擴(kuò)展了一項(xiàng)由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備自身計(jì)算實(shí)時(shí)位置的功能，不僅可以做位置跟蹤，還可以像北斗一樣，結(jié)合智能終端展現(xiàn)，做室內(nèi)的實(shí)時(shí)導(dǎo)航。這就極大的突破了產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，在一些室內(nèi)智能導(dǎo)航、緊急事件救援路線規(guī)劃等方面，意義重大，價(jià)值明顯。其在不同模式下的定位過(guò)程如下:

 

　　導(dǎo)航模式：首先，確定好錨節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)（測(cè)定后作為參照值）。然后，幾個(gè)錨節(jié)點(diǎn)同時(shí)向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送UWB信號(hào)，由于各錨節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳播的速度是一致的，所以只要測(cè)量各個(gè)信號(hào)到達(dá)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的飛行時(shí)間或飛行時(shí)間差，就可以通過(guò)計(jì)算，確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的所在位置坐標(biāo)。

 

　　監(jiān)控模式：與導(dǎo)航模式定位的不同點(diǎn)在于，由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向各錨節(jié)點(diǎn)發(fā)射UWB信號(hào)，通過(guò)計(jì)算各錨節(jié)點(diǎn)接收到同一移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)飛行時(shí)間或飛行時(shí)間差來(lái)進(jìn)行定位。

 

　　3、系統(tǒng)與北斗定位技術(shù)的融合

 

　　在室內(nèi)領(lǐng)域，紅點(diǎn)定位系統(tǒng)已能獨(dú)攬乾坤，但其本質(zhì)上是屬于局域定位技術(shù)，仍無(wú)法做到獨(dú)立承擔(dān)室內(nèi)室外聯(lián)合定位的重任。所以要聯(lián)合北斗等室外定位技術(shù)手段，達(dá)到強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的功能整合效果。北斗與UWB的技術(shù)融合，可以有三個(gè)層次。

 

　　一是松組合方式：北斗導(dǎo)航功能與UWB定位功能相對(duì)獨(dú)立，在室外室內(nèi)環(huán)境切換，實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景不間斷定位導(dǎo)航功能；

 

　　二是緊組合方式：北斗導(dǎo)航模塊與UWB定位模塊互為補(bǔ)充、修正，數(shù)據(jù)深層次融合，同時(shí)可利用UWB的測(cè)距功能，輔助北斗進(jìn)行差分定位，提高定位精度。

 

　　三是深組合方式：充分利用北斗和UWB獨(dú)自擁有的各種功能，進(jìn)行定位基礎(chǔ)上的新功能擴(kuò)展設(shè)計(jì)。如：利用UWB的近距離高速率通信能力結(jié)合北斗導(dǎo)航，可輔助車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用；利用北斗的授時(shí)功能輔助提高UWB的快速定位等。

 

　　4、系統(tǒng)的應(yīng)用范圍

 

　　作為一種技術(shù)優(yōu)越的無(wú)線實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，“紅點(diǎn)定位系統(tǒng)”在各相關(guān)行業(yè)的位置服務(wù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和快速推廣，典型應(yīng)用如下：

 

　　·醫(yī)院人員定位

 

　　·礦井人員定位

 

　　·監(jiān)獄人員定位

 

　　·智能倉(cāng)儲(chǔ)、貴重物資監(jiān)控

 

　　·地庫(kù)停車管理與實(shí)時(shí)導(dǎo)航

 

　　·商超智能導(dǎo)購(gòu)

 

　　·變電站巡檢位置管理

 

　　·物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域其他定位類用途

 

 

 

　　如果說(shuō)衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用僅受想象力制約的話，那么北斗與UWB組合定位導(dǎo)航的應(yīng)用將有助于開發(fā)人的想象力。也許實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用還要付出巨大的心血，經(jīng)歷許多挫折，但我們相信：對(duì)于北斗的應(yīng)用，只有我們敢于想象，才能不斷創(chuàng)新！