超宽带与激光雷达组合的室内定位方法

葛杰

摘要：综述了超宽带技术和室内定位技术的主要特性，总结了无线电室内定位系统的关键技术，研究了超宽带无线电用于室内定位的优点，并对现有的超宽带室内无线电定位系统进行了分析，分析了室内定位系统可以使用激光雷达和超宽带组合的方式实现。

关键词：超宽带无线电；室内定位；导航

1.前言

现在，导航和定位技术已经进入了一个多样性的时代。一方面，随着GPS技术的广泛采用，特别是GPS接收机价格的不断下降，体积的不断缩小，在室外环境，特别是在视野开阔的天空，GPS几乎达到了完美的地步。然而，其他条件下情况并非如此，例如高动态导航、室内定位和市区多遮挡的情况下定位。需要有其他的定位技术去弥补GPS的不足。在这种条件下，人们对室内定位系统的需求也与日俱增，机场、展厅、写字楼、仓库、地下停车场、监狱、军事训练基地等都需要使用准确的室内定位信息，对可用空间和库存物资实现高效的管理，跟踪危险地带的救火人员等。

2.超宽带信号

超宽带技术是近年来发展起来的一种无线电技术，因其特有的性能，能够提供精确到30cm以下的测距信息，非常适用于室内定位系统的应用。美國、加拿大、英国等发达国家近年来投入了大量的人力和物力来对相关技术和产品进行研究和开发。超宽带UWB（ultrawideband）技术是一种全新的、与传统通信技术有着极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，开发了一个具有千兆赫兹容量和最高空间容量的新无线信道；它还具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、被截获与检测的概率低、测距精度高、系统成本低等优点。超宽带技术因其具有优越的特性，越来越受到人们的普遍重视和研究。该技术尤其适用于室内等密集多径场所和军事通信应用中。利用脉冲超宽带信号对障碍物的良好穿透特性与精确测距功能，可以设计既具有通信功能也具有定位功能的超宽带脉冲无线通信与定位系统。该系统包括传输距离远（通信速率低）、分布式移动定位、便携、超低成本、超低功耗、定位可靠性和精度高等特点。因而可以广泛应用于传感器网络、消防、公共安全、库存盘点、人员监护与救生等重要领域。

3.无线电室内定位系统

无线电室内定位系统同室外无线电定位系统的主要区别在于使用环境的区别。室外无线电定位系统最常见的测距技术是GPS的伪码测距技术。在室内环境，GPS的伪码扩频的测距方式不适合高精度定位的要求，因为GPS信号易受多径干扰的影响，一般来说，GPS接收机很难区分间隔小于一个码长的多径干扰。GPS粗码的一个码长为300m，长度大于300m的房间是很少的。将GPS的体制照搬到室内环境并不合适。室内无线电定位系统的第一个关键技术是如何减小多径干扰。UWB信号的时域脉冲极窄，时间分辨率高，能分辨as级以下的到达时间差，因此，UWB系统与传统的窄带系统相比具有很好的抗多径干扰能力，因此，到目前为止，UWB是最适合于室内应用的无线电导航系统。室内无线电定位系统的第二个关键技术是信号的穿透力，室内环境不同于室外环境，室内障碍物多，如果信号穿透力弱，不利于信号的覆盖。因为UWB信号抗多径干扰能力强，穿透力强，UWB技术可能是最适合于室内环境的无线电导航系统的技术，目前UWB室内定位系统已有产品日。

4.常见的超宽带室内定位系统模式

Localizers系统是由美国AETHERWIRE&LOCATION开发的室内定位系统。待定位的超宽带接收机和几个参考定位的收发信机之间进行脉冲通信，通过监测信号中携带的伪随机码的时延来判断到不同参考点的距离。知道3个以上的参考点就可以确定未知点的三维位置。Sapphire系统是由MuhispectralSolutions公司开发的UWB室内定位系统。该系统由多个漫游器（其中一个作为参考）、至少4个接收机和1个与计算机相连的控制中心。漫游器发射中心频率为6.2GHz、10dB带宽1.25GHz的无线电信号。漫游器工作电压为3V，工作电流30mA，一块CFl2477锂电池能工作3.8年。接收机包含两部分，高速UWB监测器和接口控制电路。高速UWB监测器进行原始信号到达时间的测量，测量分辨率为1ns。测量结果通过接口控制电路直接或者通过其他接收机间接送到控制中心。控制中心通过CAT6电缆向接收机供电并收集接收机的测量数据，根据4个接收机的数据可以计算出漫游器的三维位置。Sapphire的定位精度是0.3m，经过数据平滑后能达到0.1m，漫游器的直径只有3cm，5s平均输出的信号强度只有5nW。3.3Unbise室内定位系统Unbise室内定位系统是由美国的Ubise公司开发的UWB室内定位系统。传感器固定在已知点，采用标准的以太网络，其中一个传感器作为主传感器组织传感器网络内时间同步。每个传感器有—个传统的RF收发信机和UWB接收机相位阵列。一组漫游器，每个漫游器有一个传统的RF收发信机和uWB发射器。当一个漫游器有效时，它发射UWB脉冲和包含识别符在内的传统RF信号，这被传感器用来确定漫游器的位置。传感器用组合TDOA和AOA的方法来确定发射信号的漫游器位置。两个传感器就可以确定三维位置。Unbise室内定位系统的精度是15CB。漫游器的体积是5.5cm×9cm×1cm，一节AAA电池可以供电1年，标准配置的Un-bise系统（4个传感器，6个漫游器）的售价约为1400美元。超宽带室内定位系统的竞争力主要在下面几个方面，精度是室内定位系统的主要竞争力，精度越高，生存的价值越高。室外的卫星定位系统的精度为10m左右，而室内定位系统的精度通常在厘米级。成本是影响室内定位系统发展的决定因素。GPS的用户只需要担负终端的费用，因而其得到了普及，但室内定位系统的用户不但需要承担终端的费用，而且需要承担系统本身的开销，因此，低成本是发展室内定位系统的方向。室内定位系统一般是由使用者随身携带或者嵌入到其他物品上，小体积方便使用。用户并不会只在室内活动，并不关心使用哪一个定位系统，只希望在进入房间和外出时能得到统一的位置信息。因此，需要室内定位系统与现存的卫星导航系统能做到无缝连接。

5.结束语

超宽带定位系统高精度以及抗多径效应，适合复杂环境的特点使超宽带定位系统极其适合应用于隧道施工和管道铺设施工。“十二五”期间，中国石油拟建管道长度是“十一五”期间的两倍。今后10年世界管道长度预计将以年均7%的速度递增，世界管道建设整体处于高峰期。管线建设高峰期为管线物资供应商带来了无限商机，也为超宽带隧道施工和管道铺设施工安全系统带来了无限商机。

参考文献

[1]激光雷达/微惯性室内自主建图与导航技术研究[D].南京航空航天大学，2016.

[2]佚名.基于激光雷达的三维室内环境信息采集与显示系统[J].电脑编程技巧与维护，2019（1）.

[3]佚名.基于工作空间测量定位系统和激光雷达的室内组合导航算法研究[J].激光与光电子学进展，2018，55（10）：172-178.

[4]佚名.基于ROS和激光雷达的室内移动机器人定位和导航系统设计与实现[J].机械与电子，2018，36（11）：78-82.

（作者单位：32122部队）