摘要：在室内环境定位应用中，超宽带凭借其先天技术优势相较于蓝牙等传统定位方式具有更优秀的定位效果。同样，在生产中超宽带也发挥着极其重要的作用，本文首先对超宽带室内定位的特点进行分析，然后对超宽带技术在生产中应用形式以及超宽带技术发展现状及其应用前景经进行了深入研究。
0引言
智慧城市、物联网、移动互联网等相关行业的迅速发展，使得对高精度位置的需求要求越来越强烈，而人们生产生活大多数是处于室内较为复杂的环境中，因此，基于室内的位置服务更为重要。目前，室内定位的方法主要有超宽带、WIFI、蓝牙、超声波和惯性导航等方式，其中，超宽带技术凭借其独特的优势在室内定位中占据重要的位置。
UWB超宽带（Ultra Wide-Band）的简称，始于20世纪60年代兴起的脉冲通信，该技术是一种具备低耗电与高速传输的个人局域网络无线载波通信技术，它不采用连续的正弦载波信号，而是利用频谱极宽的纳秒级非正弦波窄脉冲传输数据，该技术可以提供高达3厘米的测距精度，可以实现1对1或者1对多或者多对多的测距。
1技术特点
如前言所述，超宽带是通过宽频谱范围、纳秒级的无载波窄脉冲传输数据，这决定了超宽带技术在室内定位中具有得天独厚的优势，主要表现在：
1.抗多径能力强，定位精度高：带宽决定了信号在多径环境下的距离分辨能力。超宽带的带宽很宽，多径分辨能力强，便于分辨滤除大部分多径干扰信号的影响，得到精度很高的定位结果。超宽带可以在距离分辨能力上高于其他传统系统，复杂环境下其精度能够达到明显优于蓝牙等常规定位方式的效果。
2.时域精度高：超宽带脉冲信号的带宽在纳秒级，理论上能够达到厘米或毫秒级的定位精度，由测量数据来计算位置时，更容易估计获得更准确的位置。
3.电磁兼容性强，安全性高：超宽带的发射功率低，信号带极宽，能够很好地隐蔽在自然电子信号和其他环境噪声之中，使得基于频谱搜索的检测设备无法识别和接收，必须采用与发射端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调，且不会对其他通信业务或通讯设备产生互相干扰。
4.低功耗：超宽带具有500MHz以上的射频带宽，能够提供极大的扩频增益，使得超宽带通信系统具有较高能效。便携设备应用中，定位系统的工作时间可以大大延长，或是同样发射功率限制下，覆盖范围比传统技术大得多。
2在生产中的应用
超宽带定位在生产中应用形式多样，例如人员考勤、电子围栏、人员物料轨迹记录和实时定位等。超宽带定位系统定位技术兼具射频识别和精确定位两种技术的特点，所以它可以支持多种定位模式。
0维定位，即进入检测。该定位模式常使用 RFID、WiFi、ZigBee 等定位方式实现，传统进入检测是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，而超宽带定位可以通过检测信号强度和检测距离判定目标是都进入基站感知范围。实际应用中，可实现如在某区域中安装一处定位基站，当标签进入时识别并记录下目标信息，或者当标签进入禁止区域发出系统警报等功能。
一维定位：该种定位模式一般在狭长的走廊、通道或隧道中使用，更多关注的是被定位目标在线型环境中的位置。如在列车调试环境中，两头车处各安装一个基站，通过计算标签距离两个基站的距离来计算标签在车厢中的位置。此定位模式可以通过增加中间基站来实现更长距离的环境中定位或者提高定位精度。
二维定位：该定位模式在超宽带定位中应用最为普遍，主要适合应用于大面积、宽阔的室内环境，能够精确的定位目标在平面区域的坐标(x, y)。这种定位模式最少需要3个定位基站，通过测量未知节点距离各个基站到达时间、未知节点到某两个基站到达时间差或未知节点到基站信号强度获得参数，然后根据参数结合定位估计算法计算获得坐标。二维定位可用于记录目标节点的实时位置和路径轨迹等功能。根据环境不同，适当增加基站数量或者改善网络拓扑结构能够提高定位精度。
三维定位：与二维定位相比，三维定位能够获得更高维度的信息，能够满足如多层厂房等对定位精度更为严格的环境。此定位模式最少需要4个定位基站，参数测量方法和位置估计算法与二位定位模式类似，增加估计算法维度，最终能够获得位置节点的三维坐标(x, y, z)。
图1 0维、一维、二维定位示意图 图2 三维定位示意图
3发展现状及前景
目前，在2B(To Business)端，基于超宽带的高精度定位和各个垂直行业的结合正在快速开展，并且越来越有机。从传统工业制造、仓储物流以及公检法司的定位应用，到新兴的工业4.0、智慧仓储、新零售行业，高精度定位正在赋能各个垂直行业，为该行业的智慧升级提供基础技术和灵感，使生产更智能更高效。智慧工厂的目标是通过把生产过程数字化达到降本增效，而高精度定位是生产过程数字化的必要技术。所有会动的东西都需要被定位，通过定位技术的赋能，人、机、料能够达到更好的协同匹配，是提高生产效率的有效技术手段。
未来，在2C (To Customer)端，苹果牵头和各大手机厂商的加入，将赋予超宽带技术新的使命，备受市场瞩目。苹果新发布的iPhone11中，超宽带技术成为其关键创新功能，让 iPhone具备空间感知能力，可感应附近其他配备 U1 芯片的 Apple 设备，并准确判断出彼此的位置关系。苹果如果加大规模推广超宽带技术及其生态，将显著降低超宽带技术的使用成本。此举，被业界解读为打开了超宽带技术消费级应用的大门。荷兰NXP公司在2019年9月17日正式发布了其SR100T安全精密测距芯片，支持最新IEEE 802.15.4z，丰富定位产品在消费级市场的选择。Decawave公司DW1000芯片应用最广泛，一直占有市场绝大部分份额。Decawave公司下一代DW3000芯片将在2020年量产。北京大兴国际机场在首期建设中应用了超宽带高精度室内定位系统，定位精度达到10厘米左右。而此前，在机场中，应用室内定位的主要区域为行李分拣大厅，内部信号遮挡非常严重，如果使用蓝牙或计算机视觉等技术方案，则需要布设大量的传感器，可行性较低，而超宽带可带来更好的体验。
超宽带室内定位技术将广泛用于工厂高精度定位管理系统，通过在厂区安装定位基站，为人员或设备佩戴定位标签的形式，可以实现人员、车辆物资实时定位、工作考勤、电子围栏、历史轨迹回放、巡检巡查、物资盘点、路径规划、三维显示、多卡融合、视频监控联动等功能，并可在特殊情况下及时进行应急救援，提高工厂整体生产效率和管理水平。