浅析UWB定位技术的应用

国网辽宁省电力有限公司辽阳供电公司 袁 帅 刘美妍

1 UWB技术简介

随着社会的发展，社会进入移动物联网时代，基于位置的服务受到了人们的广泛关注。位置是人体或物体世界中的自然属性，已经成为了人们非常关心的信息。根据应用场景的不同，当前的定位技术可以分为室内定位技术和室外定位技术两种，在室外环境下应用卫星定位技术就可以满足人们的实际使用需求，而在室内环境下，在建筑物的影响下，卫星定位信号不断衰减，导致定位精度比较低，还可能出现定位失败的情况。随着社会的发展，人们在室内环境下的活动不断增多，蓝牙、WiFi等室内技术的分辨率会受到RSSI值的影响，随着距离的变化分辨率会降低，导致定位度只能够达到米级，甚至更低，根本难以满足高精度室内定位的需求，因此研究高精度的室内定位技术具有重要意义。

脉冲无线电技术（Ultra Wideband，UWB）通过发射纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲实现定位，能实现高精度室内定位。UWB技术具有多方面的优点，在信噪比比较低的情况下，UWB系统能够正常工作，而且发射的功率谱密度也比较低，几乎被湮灭在各种电磁波的噪声中，因此具有功耗低、系统复杂度低、隐秘性好、截获率低、保密性好等优点。此外，UWB技术还具有极高的传输速率，抗多径效应的能力也非常强，因此穿透力很强，非常适合在室内应用。

2 UWB定位优势分析

UWB是一种短距离无线通讯定位技术，其具有定位精度高、范围覆盖广、实时性好、穿透能力强、传输能力强和发射功率小等多方面的优点。下面对这几方面的优点进行详细的介绍：

2.1 定位精度高

当前，在无线定位领域，常用的定位技术包括下面的表格给出了目前无线定位领域各种Proximity cards、GPS、Bluetooth、IEEE802.11、Dedicated RF、Unidirectional UWB和UBIsense UWB等，相较于其它无线定位技术，UWB定位技术的定位精度要高的多，各种常用无线定位技术的定位精度如表1中所示。

表1 常用无线定位技术的定位精度

2.2 范围覆盖广

相较于其它无线定位技术，UWB定位技术还具有覆盖范围广的特点，其作为一种中短距离范围内的通讯技术，在室内环境实时定位系统的构建中具有非常好的应用效果，在当前的技术条件下，单个传感器单个单元的能够实现400m2范围内的信号覆盖，传感器网络的信号发射节点和信号接收节点之间的最大距离能够达到60m。此外，若想要扩大覆盖的面积，则可以采用多个定位单元联合工作的方式，提高其覆盖的范围，满足实际使用的要求。

2.3 实时性好

UWB定位技术具有实时性好的特点，这是其相较于其它定位技术的一个显著优点。在常用的定位技术中心，UWB技术的实时性具有明显的优势，各定位技术的实时响应频率如表2所示。

表2 常用无线定位技术的定位精度

2.4 穿透力强

UWB具有非常强的信号穿透能力，其信号能够穿透混凝土、土壤、水体以及树叶等介质，这是其在军事、民用等方面都有

比较广泛的应用。如在军事领域，应用UWB技术制作的雷达可以进行地雷的探测；在民用领域，可以用来进行高速公路地基的探测以及地下金属管道的查找等诸多领域。

2.5 传输能力强

UWB技术具有非常好的传输能力，在民用领域，UWB信号的传输范围通常在10m以为，通过对信道容量公式的进行修改，能够使其的传输速率达到500Mbit/s，是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。由于具有非常宽的频率带宽，使UWN能够以高速进行数据传输，而且不需要单独挤占当前已经非常拥挤的频率资源，能够和其它无线技术共同应用频带。由于UWB具有非常大的扩频增益，从而使其在军事领域可以具有重要应用，实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。

2.6 发射功率小

UWB技术能够通过间歇脉冲的方式来进行数据的发送，脉冲的持续时间通常在0.2ns～1.5ns的范围内，占空因素非常低，因此系统的好点量比较低，即使在高速通信的情况下，系统的耗电量也只有几百μW～几十mW。当前，民用的UWB设备的功率非常低，相较于传统的移动电话，其功率仅为其的百分之一，相较于蓝牙设备，其功率也仅为其的二十分之一左右。在军事领域，UWB的耗电量同样很低，能够实现长时间的应用。由于其相较于传统的无线电设备，具有较低的发射频率，因此在电池寿命和电磁辐射方面都具有显著的优势。

3 UWB定位技术的应用实例

3.1 在电厂安全管理中的应用

以某电厂为例，该电厂通过在现场放置一定的UWB定位基站，实现了现场3000多作业人员的精确定位，实现了现场人员数量、位置等的实时监控。通过软件能够显示出人员的实时位置，通过平面和列表等两个方式展示出来，管理者能够实时了解人员的状态，可以分区域进行人员的统计。同时们该软件还能够将员工的运动轨迹自动保存，管理者通过软件能够查看员工在某段时间内的运动轨迹，并且确认员工的姓名和工号等信息。同时，员工还能够查找出员工的姓名和工号等信息。通过软件，可以设定或者删除电子围栏，从而设置员工是否有进入权限，设置安全距离和达成电子围栏。若员工遭遇到突发情况以后，可以按“呼救”按钮，能够发送出撤离命令，并且选定撤离区域，软件会发出撤离命令。

3.2 工程施工中的应用

在某工程的施工工作中，应用了加入振动功能的UWB标签，标签的所有信息都存放在数据库内。数据库设置有管理接口，通过其能够对数据库内的数据进行实时的添加和修改。接口的连接方式采用http，可以应用GET或者是POST的方式来调用。在现场模拟演示工作中，由工作人员受持标签进行移动，模拟工人和车辆的运动，当有需要预警的情况发生时，预警程序会迅速响应，调动标签振动或鸣叫命令，从而使存在危险的标签通过振动、鸣叫等方式进行预警，提醒人员存在危险。与此同时，程序还会对网络断对应标签的状态值记性更改，当标签号的状态值发生变化以后，相应的三维模型的颜色也会跟随其发生变化，从而对现场情况进行实时的反应。

为了测试系统的功能，开展模拟实现对系统进行了测试。在现场试验过程中，由一名工作人员手持标签来模拟动作作业的施工人员，并设置好易燃区域，动火工作人员模拟真实施工进行移动，当前靠近距离易燃区域1m的范围时，预警程序会进行反应，控制标签进行振动，在动火作业人员离开危险区域以后，标签停止振动。在三维模型中，当动火作业人员进入到易燃区域1m的范围以后，其会变为红色，当其走出易燃区域1m的范围以后。其则会显示为绿色。UWB系统会对动火作业人员的位置进行实时定位，并且将其位置信息实时发送给危险源接口，由三维模型将动火作业人员的位置实时的读取并且展示出来。根据测试结果显示，系统能够实现作业人员的实时定位，并且正在其进入到危险区域以后进行报警，并改变标签颜色进行提示，具有较高的精度和准确性。从中可以看出，UWB定位技术具有较高的准确性和实用性，在很多领域都有很好的应用前景，未来会获得更加广泛的应用。

结论：UWB技术是一种具有较高精度、良好保密性和强抗干扰性的定位技术，而且能耗较低，由于其具有的这些优势，使其具有非常好的应用前景，当前在矿山开采、工程施工和电厂生产等众多领域已经获得了应用，出现了很多较为成熟的产品。随着对UWB技术的研究不断深入，还会研究出更多新颖、功能强大的UWB产品，更好地为人们的生产生活服务。