UWB(定位技术)浅析（uwb定位技术原理）

 

一、概念超宽带无线通信技术（UWB）是一种无载波通信技术，UWB不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内传统通信方式使用的是连续波信号，即本地振荡器产生连续的高频载波，需要传送信息通过例如调幅，调频等方式加载于载波之上，通过天线进行发送。

现在的无线广播，4G通信，WIFI等都是采用该方式进行无线通信下图是一个使用调幅方式传递语音信号的的连续波信号产生示意图

图 1 连续波调幅信号而IR-UWB信号，不需要产生连续的高频载波，仅仅需要产生一个时间短至nS级以下的脉冲，便可通过天线进行发送需要传送信息可以通过改变脉冲的幅度，时间，相位进行加载，进而实现信息传输。

下图是使用相位调制方式传输二进制归零码的IR-UWB信号产生示意图

图 2 IR-UWB调相信号从频域上看，连续波信号将能量集中于一个窄频率内，而UWB信号带宽很大，同时在每个频点上功率很低，如图 3所示。

图 3在无线定位中，使用IR-UWB信号相对于窄带信号的主要优势为，IR-UWB信号能准确分立无线传输中的首达信号和多径反射信号，而窄带信号不具备该能力主要有三种应用：成像、通信与测量和车载雷达系统，再宏观一点，可以分为

定位、通信和成像三种场景· 通信：因为大带宽，所以UWB一度被认为是USB数据传输的无线替代方案，蓝牙的问题是传输速度太慢UWB还常用于军用保密通信，这主要也是因为UWB脉冲的能量很低，很容易低于噪声门限，不容易被其它无线电系统监听到。

UWB通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能实现数百Mbit/s至2Gbit/s的数据传输速率而且具有穿透力强、功耗低、抗干扰效果好、安全性高、空间容量大、能精确定位等诸多优点，可以说是个超级“潜力股”，很有可能在将来成为家庭主用的无线传输技术。

· · 成像：UWB系统的带宽很宽，目前UWB穿墙雷达是很广泛的应用，具体做法是利用窄脉冲传过墙壁，获得墙对面的回波，可以得到成像，成像误差很低[3]所以如果有一天苹果开放底层接口，说不定iphone就可以拿来窥探邻居了。

根据美国联邦通信委员会的规范，UWB的工作频带为3.1~10.6GHz，系统-10dB带宽与系统中心频率之比大于20%或系统带宽至少为500MHzUWB信号的发生可通过发射时间极短（如2ns）的窄脉冲（如二次高斯脉冲）通过微分或混频等上变频方式调制到UWB工作频段实现。

室内定位之所以具有普遍适用性，与定位技术繁多是密不可分的常见的室内定位技术有超声波技术、红外线定位技术、蓝牙定位技术、WiFi定位技术、UWB（超宽带）定位技术、ZigBee定位技术、射频技术、惯性导航技术、地磁定位技术、视觉定位等。

不同行业对定位精度的需求有所不同，所以使用的定位技术也不尽相同其中，智能制造、智能建设、养老医疗、公共安全、物流运输等行业使用最多的就是UWB定位技术UWB-TDOA定位原理：该技术采用TDOA（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基站之间无线电信号传播的时间差，从而得出定位标签相对于四组定位基站（假设1#、2#为第一组，2#、3#为第二组，3#、4#为第三组，4#、1#为第四组）的距离差：。

UWB-TDOA定位原理式中di,12~di,14为UWB技术测得的定位卡相对于四组定位基站的距离差。基本原理如下图所示：

UWB-TDOA定位原理恒高科技EHIGH-TDOA定位原理示意图通过联接下式方程即可解算出定位卡的三维坐标：

UWB-TDOA定位原理使用TDOA技术不需要定位标签与定位基站之间进行往复通信，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动态和定位容量恒高UWB超宽带定位系统产品即使用UWB-TDOA技术实现了高精度、高动态、高容量、低功耗的定位系统。

UWB超宽带定位现场定位示意图

UWB超宽带定位现场定位示意图二、优缺点超宽带的主要优势有，低功耗、对信道衰落（如多径、非视距等信道）不敏感、抗干扰能力强、不会对同一环境下的其他设备产生干扰、穿透性较强（能在穿透一堵砖墙的环境进行定位），具有很高的定位准确度和定位精度。

UWB定位系统精度最高可到10cm，可对人员进行实时精确定位，并集风险管控、视频联动、历史轨迹回放、人员管理、电子围栏、各种行为监控、应急救援等功能为一体，可帮助企业解决以下行业痛点：1、远程监控UWB定位系统可实时更新位置信息，实现人员或物资的实时精确定位。

并且可以与视频联动，对人员或物资进行视频跟踪，随时随地观察每个区域的现场情况，方便进行实时管理，有效保障人员与物资的安全2、风险管理高危行业，比如隧道、化工厂、矿井等，发生安全事故的概率较高；UWB定位系统可有效地帮助企业实现风险管理。

我们可在危险区域或重要区域设置电子围栏，对员工进行权限管理，防止员工误入危险区；还可以对人员进行各种行为监测，包括超时监测、聚众监测、不动监测等等，全方位智能化管理，提高管理质量，减少安全事故的发生3、紧急应变管理

当发生安全事故时，人员可以使用随身佩戴的定位终端设备进行紧急求助当然，管理人员也可对人员进行寻呼，提醒员工注意或者下发撤离命令等；管理人员还可通过定位系统查看所有人的位置信息，确保所有人员都离开了危险区。

救援人员也可根据人员位置进行救援，提高救援效率4、客户体验管理对企业而言，客户到公司实地考察是不可避免的事客户对公司环境不了解，随意走动容易误闯危险区域室内定位系统可实时查看外来访客的进出时间、在某区域滞留时间、活动轨迹等信息，并且我们可以设置电子围栏，防止客户私自进入危险区域引发事故，实现对访客的精细化、数字化、智能化管理，提高客户的考察体验。

5、存货物资管理UWB定位系统还可对存货物资进行管理比如，在整车仓储中，想要寻找某一辆车是非常费时费力的事企业可对每辆车进行定位，通过定位标签查看车辆位置信息，这样寻找车辆就容易很多6、销售最优化根据室内定位系统提供的人员位置信息，企业可对销售模式进行优化，获得更高的经济收益。

比如展厅展馆中，展位位置分布不同，人流量也会受影响，定位系统可统计出每个展位的人流量，展会承办方就可根据位置数据调整每个展位的销售价格缺点：1、以规格的缺乏和隐私的疑虑为背景的室内定位技术的低渗透室内定位系统依然没有形成一个有力的组织来制定统一的技术规范，现行的技术手段都是在各个企业各自定义的私有协议和方案下发展。

室内定位应用场景多样化、碎片化，加之没有统一的行业标准，造成定位技术在各行业中应用难以深入，较大的制约了室内定位的发展部分人员对室内定位系统存在疑虑，担心定位系统中的实时位置显示、视频联动等功能，会侵犯自己的隐私。

企业和个人对室内定位认可度低，导致室内定位技术进入市场受阻2、对室内定位技术利用的兴趣低相比于发展了数十年的室外定位技术，室内定位还处于导入期大部分企业对室内定位应用不了解，并未认识到室内定位对于人员、物资安全管理的重要性，导致UWB定位技术利用率较低。

各行业对于这一较新技术的认识和采纳、围绕技术衍生各类新应用的商业模式，都需要一定的过程，所以存在相关市场启动缓慢，相关公司短时间内业绩不达预期的风险综上所述，传统UWB的实现优点是：· 理论上成本低· 定位距离精度高

· 通信速度快（超大带宽）· 抗多径能力强· 功耗低（脉冲调制决定的）· 穿透能力强（宽频谱）缺点也很明显：· 波束指向性强（需要波束明确指向接收源）· 通信距离短（UWB的授权频谱有相当多的现存通信设备，UWB设备功率需要低于一定门限才能不影响其他通信系统）

· 频带利用率低下（看看那占空比）· 产业相对不成熟（但是足够商用了）三、国内外技术分析四、应用场景1、隧道管廊：在隧道施工现场，通过部署UWB超宽带定位系统，将定位标签集成至员工胸卡、安全帽等穿戴设备内，可以提供的集风险管控、人员管理、实时显示、应急救援等功能能够准确定位工人位置，保障工人施工安全、施工质量、施工进度。

2、工业制造：在工厂中，UWB超宽带定位系统可以帮助传统工厂实现数字化管理，可实时查看员工位置、在岗时间、离岗时间、移动轨迹，提高岗位巡查效率通过后台对仓储货物位置的监管，可查看物品位置、所属仓库等数据，防止物资设备的丢失。

3、司法监狱：监狱安全管理一直是备受关注的问题，通过UWB超宽带定位技术如何杜绝监狱犯人管理漏洞、降低监管执法风险呢？在监狱，通过UWB超宽带定位系统，将定位标签集成至犯人定位腕带中，能够对服刑犯人进行实时监控。

包括：实时掌握人员的实时位置、人数清点、犯人腕带防拆报警、电子围栏、聚众分析、行动轨迹跟踪、 回放、摄像联动警报等，能够很大程度的降低监管执法的风险，防止意外事故的发生4、养老院：在养老院，通过给老人佩戴智能手环或胸牌，不仅能够实时查看老人位置，还能够通过设置电子围栏来圈定安全活动范围，一旦老人走出安全区域，系统就会及时预警，通知管理人员前往查看，避免老人走失。

因为护工人员不可能24小时陪在每一个老人身边，难免会有疏漏，所以可以将一键报警功能集成在手环或胸牌之中，一旦老人遇到危急情况，按下按钮就能够通知护工人员及时予以救助，避免危及老人生命健康安全5、展厅：在会展、展厅内，UWB超宽带定位系统可实现智能化导览服务，一方面可以实时导引观众前往想去的展位，另外也可以对观众的位置数据进行精准统计，查看参展客户及工作人员在展厅内的观览轨迹、停留时间等，实现办展效果精准分析。

让展方了解参展人员感兴趣产品，为后期提升展会质量工作提供明确方向6、地下矿场7、无绳USB无绳USB(Wireless USB)是一种无线接口标准，目标是以无线取代目前的USB连线无线技术方面将使用超宽带近距离高速通信技术“UWB”。

目标传送速度为USB2.0的最大通信速度480Mbit/s可望UWB无线技术将取代USB，成为PC的外设接口　　无绳USB可以实现数字家庭的打印机共享、无线鼠标、键盘连接，扫描仪的数据传输，移动硬盘的无线接入，DV数据传送等应用，是数字家庭标准外设接入的接口。

通过UWB无绳USB连接，组成了以计算机为中心，USB标准外设作为从设备的互联互通小网络这个小型网络能够完成系统协同工作，由软件控制可智能完成用户的特定任务例如，用户可以直接从数码相机中浏览，选定自己喜欢的照片，通过无绳USB技术传送到电脑，接着，电脑可以把它输出到无线连接的便携打印机，用户就能及时打印出选出的照片。

这样，随时随地无任何连接限制地体现出数字家庭设备互联互通人性化的特点五、前景毋庸置疑，在物联网行业，室内定位绝对是最为重要的组成部分之一其中UWB定位系统因具有高精度、高动态、高容量、低功耗等优点，而被广泛应用。

据market&market的调查数据显示，未来几年，室内定位的全球市场将以42.0％的年复合成长率(CAGR)增长，市场规模预计从2017年的71亿1000万美元扩大到2022年的409亿9000万美元。

由此可见，室内定位在未来几年内将迎来快速发展时期在室内定位市场中，北美占据32%的市场份额由于在室内定位技术方面有着重大研发和技术进步，北美预计将持续引领室内定位市场因此，一些北美公司正在战略性地采用不同级别的室内定位技术，以便在各自的市场中取得成功，并提高生产率。

欧洲、中东在室内定位市场中分别占据28%、22%的市场亚太地区占据的市场份额最少，仅有18%，但是绝大部分市场是在中国，这完全得益于中国近几年制造行业、消费行业经济的快速发展纵观整个定位市场，驱动位置服务的因素很多，其中商业驱动和政府驱动是两个非常关键的因素。

在商业层面，国内外的巨头和创业企业为促进室内定位技术落地，做出大量尝试，室内位置服务产业链初现雏形国外Estimote、思杰走产业上游平台路线，国内的百度、360则开发了终端用户产品在政府层面，中国国务院、科技部、工信部下发的多项指导政策中均提出要大力推动室内定位系统发展。

比如国家的十三五规划就制定了导航与位置服务，包括室内外无缝导航、室内外多模式协同定位、室内多维位置信息、位置智能感知、无人驾驶地图服务等标准行业巨头和政府组织强力介入室内定位位置服务，会推动用户对室内定位的快速认可，加速室内位置服务生态成熟。

由此可见，在未来几年，中国（甚至是亚太地区）的室内定位服务应用会迎来快速增长1、上游芯片和底层技术考虑到国内UWB定位芯片研发起步较晚，国内暂时还没有大规模生产UWB定位芯片的厂商，因此国内UWB定位芯片大都来自源于国外的Decawave公司。

Decawave是全球最大的UWB定位芯片生产商之一，用户遍布中国、爱尔兰、法国、韩国、美国、英国、俄罗斯等国家目前Decawave的芯片已经在超过500万台设备上部署，受到全球2500多家企业的青睐2、中游的位置服务提供商

位置服务提供商是以UWB定位芯片为基础，并结合自己的定位算法研发出UWB定位系统位置服务提供商研发出的定位系统已经具备了很完善的功能，包括实时位置显示、轨迹跟踪与回放、电子围栏、寻呼报警、视频联动、智能巡检、电子点名与智能考勤等。

同时位置服务提供商还提供定位系统硬件设备，比如定位标签，能够发射UWB信号来确定位置；定位基站，能够接收并估算从标签发送过来的信号除此之外，位置服务提供商还提供易集成的SDK开发平台，帮助开发者快速开发出基于UWB定位系统的应用软件。

3、下游的集成商定位系统集成商处于产业链的下游应用端，负责为终端客户提供应用解决方案集成商根据每个行业的具体情况，将UWB定位系统二次开发，并和其他人员管理设备或者自动化配套设备集成，研发出更适合这些行业的定位系统与设备。

六、相关企业1、恒高科技（EHIGH）恒高科技专注于UWB厘米级高精度定位技术研究与开发，是国内技术最为成熟的位置服务提供商之一，其定位系统性能，如稳定性、精度、续航均处于行业前列恒高科技以UWB定位系统为核心产品，并对外提供easySDK二次开发平台，同时还提供了定位技术与其他物联网技术、系统化平台的融合方案。

不仅如此，恒高科技还围绕UWB定位系统，融合了多项物联网技术，如视频监控系统、广播系统、视觉定位系统、人脸识别系统等目前，该公司产品已在隧道、监狱、化工、工厂、煤矿等不同行业实现了数百个落地案例2、西门子

西门子公司（柏林和慕尼黑）是一家全球性技术公司，170年来一直支持工程创新国际化公司业务遍及全球各地，专注于电气化、自动化和数字化领域从2018年3月29日起，西门子正式接管了位于开姆尼茨的Agilion GmbH公司的所有权。

Agilion是工业UWB实时定位系统的供应商，专注于生产、物流和维护应用，能实现厘米级范围内的精确定位，追踪多种不同资产3、Zebra斑马技术公司(Zebra)近年来致力于定位解决方案的技术扩展，其最新的Dart UWB技术远远超出无源RFID的范畴。

该方案采用先进的软件和硬件来定位、跟踪和管理高价值资产、设备和人员，最大限度提高其使用率Zebra能提供基于超宽频(UWB)、ISO/IEC24730-2、Cisco ® CCX Wi-Fi ® 等不同定位技术的集成方案。

同先进国家相比较，我国在无线通信领域仍处于待开发状态，通过UWB技术的研究，可以充分发挥后发优势，研究将会更有方向性和针对性，因而有可能在该领域达到并超过世界先进水平，促进我国在UWB室内定位技术方面的全面发展，同时对我国在该研究领域拥有自主知识产权和相关产品，建立新的经济增长点，具有重大意义。

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