基于UWB的非暴露空間位置服務(wù)探究

技術(shù)背景

城市軌道交通對(duì)空間位置服務(wù)有特定的痛點(diǎn)和需求，尤其是針對(duì)地下封閉非暴露空間開(kāi)展的位置服務(wù)，如風(fēng)險(xiǎn)防控、應(yīng)急指揮、維護(hù)維修、運(yùn)行組織等；同時(shí)，空間位置服務(wù)是實(shí)現(xiàn)智慧城軌的關(guān)鍵技術(shù)之一，在智慧城軌交通中有著廣闊的應(yīng)用前景。

目前主流定位技術(shù)為GNSS（Global Navigation Satellite System, 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)），以人造地球衛(wèi)星為基礎(chǔ)，在近地空間提供準(zhǔn)確的地理位置、速度以及時(shí)間信息，應(yīng)用于高精度測(cè)繪、車(chē)載導(dǎo)航等諸多領(lǐng)域。然而，GNSS在室內(nèi)無(wú)法定位。

目前雖有許多成熟的室內(nèi)定位技術(shù)，但均有其特定的適用場(chǎng)景，且其技術(shù)特征與城軌交通需求無(wú)法高度匹配?；赨WB的室內(nèi)定位作為新興的室內(nèi)定位技術(shù)之一，其技術(shù)特征高度契合城軌交通需求，在后續(xù)智慧城軌的建設(shè)中擁有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。本文調(diào)研了目前主流的室內(nèi)定位技術(shù)，分析了其技術(shù)特征和適用場(chǎng)景并介紹了基于UWB的室內(nèi)定位技術(shù)原理和應(yīng)用案例，旨在開(kāi)拓城軌交通室內(nèi)定位方向的視野，以更好地開(kāi)展室內(nèi)定位場(chǎng)景的研究。

技術(shù)分析

（ 1 ）主流室內(nèi)定位技術(shù)****分析

基于藍(lán)牙的定位

藍(lán)牙室內(nèi)定位基于RSSI（Received Signal Strength Indication，信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)指示）實(shí)現(xiàn)，定位精度為2m ~ 10m ，適用于小范圍內(nèi)的定位，如在醫(yī)院、養(yǎng)老院、展館等場(chǎng)景中對(duì)人員或特定設(shè)備的定位，其精度較高，且設(shè)備體積小，是目前主流的室內(nèi)定位技術(shù)。然而藍(lán)牙定位的距離短、穩(wěn)定性較差，且受噪聲信號(hào)干擾大，建設(shè)成本以及網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的成本較高，不適用于在城市軌道交通地下封閉空間內(nèi)對(duì)人和設(shè)備的定位。

基于Wi-Fi的定位

Wi-Fi定位基于RSSI實(shí)現(xiàn)，定位精度為3m ~ 15m ，主要用于工廠等硬件設(shè)備的資產(chǎn)管理，其產(chǎn)品成熟，價(jià)格低廉，但其易受環(huán)境干擾，尤其是城軌車(chē)地通信系統(tǒng)的同頻干擾。Wi-Fi定位基于指紋識(shí)別算法雖然能夠消除多徑效應(yīng)帶來(lái)的誤差，然而數(shù)據(jù)采集量大，因而無(wú)法在成本有限的情況下滿足高精度實(shí)時(shí)跟蹤、定位的功能需求。

RFID定位

RFID定位同樣基于RSSI實(shí)現(xiàn)，定位精度為1m-5m，主要應(yīng)用于對(duì)商品、貨物的物流管理、生產(chǎn)管理和庫(kù)存管理。但同Wi-Fi、RFID相比，RFID的定位距離更短，并且由于標(biāo)簽不具備通信能力，業(yè)務(wù)拓展性和兼容性不強(qiáng)。RFID只能支持是否存在于某個(gè)區(qū)域的辨識(shí)，不能做到實(shí)時(shí)跟蹤。定位精度由參考標(biāo)簽及超高頻RFID讀寫(xiě)器的位置和密度決定，達(dá)到同樣的精度要求，RFID讀寫(xiě)器的部署相對(duì)復(fù)雜，數(shù)量較多，一定程度上限制了其在城市軌道交通行業(yè)的應(yīng)用。

5G定位

基于5G的定位精度高，且有適用于不同定位場(chǎng)景的算法，如Multi-RTT（Multiple Round Trip Time， 多輪環(huán)回時(shí)間定位法）、UL-TDOA（Uplink Time Difference of Arrival，上行到達(dá)時(shí)間差定位法）、UL-AOA（Uplink Angle of Arrival， 上行到達(dá)角度定位法）、DL-TDOA（Downlink Time Difference of Arrival，下行到達(dá)時(shí)間差定位法）、DL-AOD（Downlink Angle of Departure， 下行離開(kāi)角度定位法）、NR E-CID（New Radio Enhanced Cell ID Location，新空口增強(qiáng)Cell ID定位），能夠在室內(nèi)定位提供實(shí)時(shí)位置推送、電子圍欄、地圖管理、軌跡查詢等服務(wù)，其具備高性能算力，且抗干擾能力強(qiáng)。

在定位精度方面：3GPP R16版本要求對(duì)于80％的UE，水平定位精度優(yōu)于3米（室內(nèi)）和10米（室外）。3GPP R17版本可達(dá)亞米級(jí)。然而5G定位受限于城市軌道交通的組網(wǎng)方式，由于隧道內(nèi)大部分網(wǎng)絡(luò)基于漏纜，站臺(tái)等室內(nèi)環(huán)境內(nèi)也不適合部署大規(guī)模陣列天線，無(wú)法支持Massive MIMO, 波束賦形、波束跟蹤等新技術(shù)無(wú)法發(fā)揮作用，定位精度大打折扣，另一方面，限于支持5G定位的行業(yè)終端產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈不足，兼容性差。

總結(jié)上述室內(nèi)定位技術(shù)的特征和適用場(chǎng)景，如下表所示：

室內(nèi)定位技術(shù)特征與適用場(chǎng)景

上文中提到的定位技術(shù)一般是基于RSSI實(shí)現(xiàn)，雖能滿足室內(nèi)定位的需求，但由于RSSI的固有缺陷，其應(yīng)用范圍有限。在RSSI中，無(wú)線電信號(hào)的強(qiáng)度隨著空間中的距離而變化，當(dāng)信號(hào)遠(yuǎn)離信號(hào)源時(shí)信號(hào)強(qiáng)度會(huì)衰減。然而，信號(hào)強(qiáng)度并不能準(zhǔn)確的反映出室內(nèi)距離。室內(nèi)的障礙物會(huì)干擾信號(hào)強(qiáng)度，這將導(dǎo)致RSSI的距離測(cè)算產(chǎn)生誤差，如下圖所示。

在圖1中，A點(diǎn)和B點(diǎn)均受到墻壁的干擾，這影響了A、B兩點(diǎn)距離的測(cè)量精度，C點(diǎn)處于開(kāi)闊空間內(nèi)，其距離測(cè)量和定位相比A、B兩點(diǎn)會(huì)更加精確。使用指紋識(shí)別方法能夠有效的消除Wi-Fi定位的誤差，但是數(shù)據(jù)采集量大且隨著物理布局的變化也需要更新相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，工作量大且成本耗費(fèi)高。

（ 2 ）基于UWB的室內(nèi)定位

基于UWB的室內(nèi)定位技術(shù)定位精度高、安全性高，在基站覆蓋范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的室內(nèi)定位、追蹤和導(dǎo)航。且其系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，只需基站和標(biāo)簽即可實(shí)現(xiàn)，高度契合城軌交通場(chǎng)景特征和業(yè)務(wù)需求，有著廣闊的應(yīng)用前景。

UWB（Ultra Wide Band, 超寬帶）是一種無(wú)線載波通信技術(shù)，其頻率范圍在3.1 GHz ~ 10.6 GHz，最低信號(hào)帶寬為500 MHz。與其他無(wú)線電技術(shù)不同，UWB不使用幅度或頻率調(diào)制來(lái)編碼其信號(hào)傳輸?shù)男畔?，而是采用窄脈沖序列進(jìn)行編碼。使用窄脈沖序列編碼使得UWB信號(hào)具有較低的功率譜密度，起到了類(lèi)似擴(kuò)頻的效果，抗干擾能力大幅度提高，如圖2所示。

圖2 UWB與其他定位頻譜

同時(shí)，使用窄脈沖信號(hào)編碼讓UWB定位能夠很好的避免多徑效應(yīng)。這是因?yàn)檎}沖信號(hào)時(shí)域狹窄且邊緣清晰，接收端能夠清晰的分離徑向分量和反射分量，避免反射分量造成的誤差，如圖3所示。其中，左圖為藍(lán)牙、Wi-Fi及RFID等窄帶信號(hào)的波形，右圖為UWB信號(hào)波形；從圖中可得知窄帶信號(hào)為連續(xù)信號(hào)，這一類(lèi)信號(hào)由于連續(xù)性導(dǎo)致接收端難以區(qū)分徑向分量和反射分量，其在室內(nèi)的定位誤差較大。而UWB的窄脈沖信號(hào)在時(shí)域上狹窄，能夠清晰的分離出徑向分量和反射分量。

圖3 窄帶信號(hào)與UWB（超寬帶）

UWB的定位算法根據(jù)需求不同有多種選擇，常見(jiàn)的UWB定位算法由TWR（Two-way Ranging，雙向測(cè)距方法）、TDoA（Time Difference Of Arrival，到達(dá)時(shí)間差法）和PDoA（Phase Difference of Arrival，相位到達(dá)差法）。其中，TDoA主要用于室內(nèi)定位。

TDoA會(huì)在區(qū)域內(nèi)部署多個(gè)實(shí)現(xiàn)時(shí)間緊密同步的基站，當(dāng)定位標(biāo)簽進(jìn)入?yún)^(qū)域后，會(huì)輻射發(fā)送信標(biāo)信號(hào)，當(dāng)基站接收到信標(biāo)信號(hào)后，首先基于標(biāo)記時(shí)間戳，而后多個(gè)基站的時(shí)間戳將轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)每個(gè)基站的信標(biāo)信號(hào)計(jì)算到達(dá)時(shí)間差ToF（Time of Flight, 飛行時(shí)間），并獲取標(biāo)簽的實(shí)時(shí)位置，如圖4所示。

圖4 TDoA技術(shù)原理

綜上所述，基于UWB的室內(nèi)定位技術(shù)擁有抗多徑能力強(qiáng)、定位精度高、兼容性強(qiáng)、能效高等優(yōu)點(diǎn)，高度契合城軌交通場(chǎng)景特征和業(yè)務(wù)需求，有著廣闊的應(yīng)用前景。

審核編輯 黃宇