近年來，隨著近距離無線電技術(shù)的高速發(fā)展和無線局域網(wǎng)技術(shù)的進步，使得室內(nèi)定位技術(shù)突飛猛進,。在開闊的室外環(huán)境中,，全球定位系統(tǒng)GPS提供了非常精確的定位信息，與此同時,，人們對室內(nèi)定位信息的需求也與日俱增，機場,、展廳,、寫字樓、倉庫,、地下停車場,、監(jiān)獄、軍事訓(xùn)練基地等都需要使用準(zhǔn)確的室內(nèi)定位信息,，對可用空間和庫存物資實現(xiàn)高效的管理,。超寬帶技術(shù)" title="超寬帶技術(shù)">超寬帶技術(shù)作為近年來新興發(fā)展起來的一種無線電技術(shù)，因其特有的性能,，能夠提供精確的室內(nèi)位置信息,，非常適用于室內(nèi)定位系統(tǒng)的應(yīng)用^[1]。美國,、加拿大,、日本等發(fā)達國家近年投入了大量的人力、物力對相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品進行研究和開發(fā),。我國正處于信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時期,，應(yīng)該抓住機遇，爭取在室內(nèi)定位系統(tǒng)這個有著極大現(xiàn)實意義和廣闊應(yīng)用前景的領(lǐng)域有所突破,。
1室內(nèi)定位系統(tǒng)
　　典型的室內(nèi)定位系統(tǒng)大致包括標(biāo)識,、接收機、控制中心等主要部分,。標(biāo)識帶有發(fā)射電路,，附在需要定位的個人或物體上，配置惟一的標(biāo)識碼,，發(fā)射信號給接收機,。接收機安裝在建筑物的四周或天花板上，多個接收機相互連接,，組成網(wǎng)絡(luò),。控制中心處理各個接收機得到的數(shù)據(jù),，通過信號處理,、數(shù)據(jù)融合對標(biāo)識進行定位，其跟蹤系統(tǒng)可以利用標(biāo)識不同時刻傳回的定位信息繪制運動軌跡,，推測其未來的運動趨勢,，還可根據(jù)標(biāo)識所在的區(qū)域,，查詢已知的資源分布圖，幫助用戶找到所需的設(shè)備,。
　　目前,，有多種無線技術(shù)可以進行室內(nèi)定位，包括室內(nèi)GPS,、RFID,、IR、WLAN,、Bluetooth以及UWB,，它們都是利用定位網(wǎng)絡(luò)，通過接收到的信號參數(shù),，根據(jù)特定的算法對個人或者物體在某一時刻所處的位置進行測量,。在應(yīng)用精度上大致可以分為兩類，一類是目標(biāo)發(fā)現(xiàn)(Finding Applications),，它不需要獲得非常精確的位置坐標(biāo)或者物體的特性,，僅需要知道被定位目標(biāo)的有無或者所在的區(qū)域；另一類是“智能空間”應(yīng)用(Smart Space),，它可以提供非常高的定位精度并能實時監(jiān)控^[2],。本文將從現(xiàn)有的室內(nèi)定位算法和技術(shù)兩方面進行介紹。
1.1 室內(nèi)定位算法
　　室內(nèi)定位算法目前基本上是從室外定位算法中借鑒而來,，最典型的有臨近檢測(PD),、信號強度分析法(RSSI)、到達時間定位(TOA),、到達時間差定位(TDOA)以及到達時間定位(AOA)^[3],。
　　·臨近檢測(Proximity Detection)。臨近檢測依靠密集的天線陣列,，每個天線的位置已知,，根據(jù)接收到信號最強的天線區(qū)域判定其位置。這種算法的精度與天線的密度有關(guān),，普遍僅能達到米級精度,，而且天線位置須是等間隔的。
　　·信號強度分析法(Received Signal Strength),。利用接收信號的強度與發(fā)射機和接收機之間距離的關(guān)系,，建立信號的傳播模型對目標(biāo)進行定位。由于這種算法對信道傳輸模型的依賴性非常強,，多徑效應(yīng),、墻壁的遮擋以及環(huán)境條件的變化都會使其精度嚴(yán)重惡化。
　　·到達時間定位(Time Of Arrival)。標(biāo)識發(fā)射信號到達3個以上的接收機,，通過測量到達不同接收機所用的時間(須保證時間同步),，可以計算出標(biāo)識與接收機之間的距離，然后以接收機為圓心,、標(biāo)識與接收機之間的距離為半徑做圓,，3個圓的交點即為移動終端所在的位置。
　　·到達時間差定位(Time Difference Of Arrival),。這種定位算法與TOA類似,，只是所測量為時間差而非絕對時間，利用雙曲線交叉進行定位,。由于，不必滿足嚴(yán)格時間同步的要求,，使得系統(tǒng)相對簡化,，所以TDOA算法在定位系統(tǒng)中大量被應(yīng)用。
　　·到達角度定位(Angle Of Arrival),。這種定位方法通過測量標(biāo)識到兩個接收機的信號到達角度來定位,，其定位精度與TOA和TDOA算法相比有一定差距，并需配置智能天線或其他復(fù)雜天線系統(tǒng),，因此在室內(nèi)多徑環(huán)境下到達角度定位的方法一般只作為輔助手段,。
1.2 室內(nèi)定位系統(tǒng)
　　從信號形式上看，紅外,、超聲波和射頻無線電是傳統(tǒng)室內(nèi)定位系統(tǒng)主要的三種形式,，下面從頻率范圍、作用距離以及標(biāo)識和天線大小,、造價幾方面分別進行介紹,。
　　·RFID^[4] 。此系統(tǒng)基于信號強度分析法,，采用聚合算法對三維空間進行定位,，通過標(biāo)識檢測到的信號強弱來表示標(biāo)識之間的距離，主要用于門禁系統(tǒng),，包括主動RFID和被動RFID,。優(yōu)點是標(biāo)識的體積比較小，造價比較低,，但是作用距離近,，不具有通信能力，而且不便整合到其他的系統(tǒng)之中,。采用該技術(shù)的代表有Spoton,、Wavetrend和Bewator Cotag等公司。
　　·紅外線室內(nèi)定位系統(tǒng)。IR標(biāo)識通過發(fā)射調(diào)制的紅外射線,，通過安裝在室內(nèi)的光學(xué)傳感器接收進行定位,。雖然紅外線具有相對較高的室內(nèi)定位精度，但是由于光線不能穿過障礙物,，使得紅外射線僅能視距傳播,。當(dāng)標(biāo)識放在口袋里或者有墻壁及其他遮擋時就不能正常工作，因此需要在每個房間,、走廊安裝接收天線,，造價較高。目前Olivetti研究實驗室的Active Badge系統(tǒng)采用該項技術(shù),。
　　·超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)^[5],。超聲波定位主要采用反射式測距法，通過三角定位等算法確定物體的位置,。雖然整體的定位精度較高,，但是需要大量的底層硬件設(shè)備，因此存在成本較高的缺點,。目前Cricket System和Active Bat采用該技術(shù),。
　　·藍牙室內(nèi)定位系統(tǒng)。藍牙技術(shù)用于室內(nèi)定位時,，采用經(jīng)驗測試與信號傳播模型相結(jié)合的方式,，通過測量信號強度進行定位。其最大的優(yōu)點是設(shè)備體積小,、易于集成在PDA,、PC以及手機中，因此很容易推廣普及,。理論上,，對于持有集成了藍牙功能移動終端設(shè)備的用戶，只要設(shè)備的藍牙功能開啟,，藍牙室內(nèi)定位系統(tǒng)就能夠?qū)ζ溥M行位置判斷,。目前藍牙室內(nèi)定位系統(tǒng)的主要不足在于藍牙器件和設(shè)備的價格比較昂貴，而且對于復(fù)雜的空間環(huán)境,，藍牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差,。目前美國的Tadlys等公司正在應(yīng)用該技術(shù)進行相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)。
　　通過分析可以看出,，以上幾種室內(nèi)定位系統(tǒng)各有利弊,。雖然目前大多數(shù)室內(nèi)定位系統(tǒng)都能夠滿足目標(biāo)定位的簡單需求，但是要達到室內(nèi)“智能空間”的要求,，還有一定差距,。超寬帶信號與傳統(tǒng)無線電信號有著根本區(qū)別,，這種新的信號形式，憑借自身的特性,，應(yīng)用在室內(nèi)定位系統(tǒng)中,，能夠使系統(tǒng)在標(biāo)識大小、功耗,、造價,、精度、實時性,、通信能力以及可擴充性能等方面得到大幅度提升,，滿足人們對室內(nèi)定位的新要求。
2 超寬帶技術(shù)^[6]
　　超寬帶(UWB ULTRA WIDEBAND)技術(shù)是一項嶄新的無線電技術(shù),，最早應(yīng)用在軍事上,，由于其突出的性能優(yōu)勢也非常適合于民用的各領(lǐng)域，因此近年來各國對UWB技術(shù)格外重視,。
　　超寬帶技術(shù)是基于極窄脈沖的無線電技術(shù),。超寬帶探測與傳統(tǒng)的探測系統(tǒng)相比較，無論是工作機理還是技術(shù)實現(xiàn)都有極大的區(qū)別,。當(dāng)無線電探測系統(tǒng)的相對帶寬(信號帶寬與中心頻率的比值)大于20％時就稱之為超寬帶探測系統(tǒng),。即要滿足,。式中的fh為頻率高端-10dB下降頻點位置,，fl為低端-10dB下降頻點。
　　實際上,，超寬帶系統(tǒng)是產(chǎn)生,、發(fā)射、接收,、處理極窄脈沖信號的無線電系統(tǒng),。超寬帶系統(tǒng)中發(fā)射的脈沖一般是脈寬小于1ns的高斯脈沖，這種窄脈沖具有非常寬的頻譜,。隨著相關(guān)電子技術(shù)的發(fā)展,，寬度在0.2ns以下的窄脈沖產(chǎn)生器已經(jīng)研究成功，這種窄脈沖的相對帶寬接近甚至大于200％,。與傳統(tǒng)的無線電探測系統(tǒng)相比較,，在超寬帶探測系統(tǒng)中不需要載頻，能夠直接用產(chǎn)生的窄脈沖去激勵天線,、輻射電磁波來進行目標(biāo)的探測,。
3 超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)
　　圖1所示為超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)包括被動UWB接收機,、UWB參考標(biāo)識以及若干主動UWB標(biāo)識^[7],。
　　圖2為超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)的信號處理框圖^[8],。標(biāo)識的時鐘從存儲器中讀出偽隨機時間間隔" title="時間間隔">時間間隔調(diào)制編碼信息，以控制調(diào)制電路多脈沖間隔的變換,。經(jīng)過調(diào)制后的時序激勵窄脈沖產(chǎn)生電路,，產(chǎn)生初級窄脈沖。為了提高探測距離,，需要使用脈沖放大電路對脈沖進行放大,，提高脈沖幅度后再通過天線向室內(nèi)空間輻射。每個UWB接收機在系統(tǒng)時鐘的控制下接收標(biāo)識發(fā)射的UWB信號,。由于在電磁波輻射過程中,，必然混雜進各種噪聲及干擾信號，因此還必須對這些無用信號進行過濾,。經(jīng)過這些步驟后即得到含有效信息的信號,。脈沖的寬度極窄，為了準(zhǔn)確地對接收到的信號進行采集,，必須對信號進行等效采樣,。采樣后的信號經(jīng)篩選，提取出有效信息,，最后通過中央處理單元的定位算法得到標(biāo)識的精確位置信息,。

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3.1 超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)的特點
3.1.1 高分辨率
　　探測設(shè)備對目標(biāo)的識別能力取決于其距離分辨率和角度分辨率(方位角和仰角)，而距離分辨率又正比于發(fā)射脈沖的時域有效寬度,。超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)因其亞納秒級極窄脈沖的時間寬度,，因此它的距離分辨率極高，可以達到厘米量級,。利用這個特性,，可以獲得更多的室內(nèi)距離信息。
3.1.2 頻譜的有效利用
　　超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)在探測過程中發(fā)射的是窄脈沖串" title="脈沖串">脈沖串,，但脈沖間的時間間隔不是固定不變的,，而是按照特定規(guī)律進行偽隨機跳變。一般情況下,，相互間間隔按照偽隨機規(guī)律改變后的發(fā)射脈沖信號可用公式(1)表示：
　　
　　其中,T_f為脈沖重復(fù)幀時間,；T_c為時隙(time-hopping)時間；C_j為偽隨機時隙編碼,。
　　將上述變化過程看作窄脈沖串的時間間隔調(diào)制,。在調(diào)制前，對于單個窄脈沖,，把很小的功率分配在極寬的頻譜范圍內(nèi),，窄脈沖串的功率譜密度達到非常小的量級。脈沖間隔被偽隨機調(diào)制后,，脈沖串的頻譜更顯示出類似噪聲的特性,。圖3是沒有經(jīng)過時間間隔調(diào)制的脈沖串的譜線,，圖4是已經(jīng)進行了偽隨機時間間隔調(diào)制后脈沖串的頻譜。從兩圖對比可以清晰地看出脈沖串在時間間隔調(diào)制前和調(diào)制后的頻譜變化,。類似噪聲的特性使得脈沖串功率譜密度繼續(xù)被平滑,。

　　傳統(tǒng)的無線電室內(nèi)定位系統(tǒng)中所有信息來自特定頻率的電磁波，在無線電設(shè)備密集的環(huán)境中,，相互之間距離很近,，分配到相同頻點的標(biāo)識可能會接收到其他設(shè)備的同頻信號，從而出現(xiàn)系統(tǒng)紊亂或錯誤定位,。所以定位系統(tǒng)必須為每個標(biāo)識都分配專門的工作頻點,，這種工作模式是對頻譜資源的一種浪費。對超寬帶系統(tǒng)而言,，具有極低的信/擾比門限,，平均發(fā)射功率很低，如工作范圍在幾十米以內(nèi),，所需功率僅需幾十到幾百微瓦,。由于功率譜密度極低，甚至低于環(huán)境噪聲以下,，所以信號不會對其他系統(tǒng)產(chǎn)生不良的干擾,，可以與之共享頻帶，實現(xiàn)共存,，最大限度地利用稀缺的頻譜資源也是超寬帶技術(shù)可以沒有限制地被用在室內(nèi)定位領(lǐng)域的一個很重要的原因,。
3.1.3 多用戶共享
　　前面所述的偽隨機時間間隔調(diào)制表達式是對單個用戶而言；對于多用戶,，超寬帶系統(tǒng)可以對不同的用戶分配不同的偽隨機編碼,，根據(jù)不同編碼進行脈沖位置調(diào)制,。類似于無線通信中的多址通信方式,。這樣在相關(guān)接收端，每個用戶只能從回波信號中提取按照自身編碼調(diào)制過的發(fā)射信號,，其他標(biāo)識發(fā)射回波即使被天線接收也會自動濾除,。因此標(biāo)識能夠同時使用同種定位設(shè)備，可以互不干擾地共享無線資源,。不同用戶發(fā)射的第k個窄脈沖信號如下式：

3.1.4 復(fù)雜環(huán)境工作^[9]
　　在室內(nèi)環(huán)境中,，電磁空間環(huán)境非常復(fù)雜，再加上墻壁等障礙物,，接收設(shè)備接收到的標(biāo)識信號必然包含了各種干擾,。試驗數(shù)據(jù)表明,復(fù)雜環(huán)境中多徑時延常為納秒級,當(dāng)前的相對窄帶無線電系統(tǒng)無法對如此小的時延進行分辨。超寬帶系統(tǒng)采用納秒級的離散窄脈沖進行探測,經(jīng)多徑反射的延時信號與直達信號在時間上可以分離, 能夠很好地分離出干擾信號,，提取出有用信息,，具有強抗多徑衰落能力,。
　　除上述特點外，超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)還有很多其他優(yōu)點,，如無中頻電路,、結(jié)構(gòu)相對簡化、硬件易實現(xiàn),、功耗低等,。
3.2 室內(nèi)定位技術(shù)比較
　　表1通過評定等級的方式比較現(xiàn)有的幾種室內(nèi)定位技術(shù)，用☆☆☆,、☆☆,、☆表示三個等級，分別為好,、中,、差。

　　從表1可以看出,，UWB室內(nèi)定位技術(shù)憑借自身的特性,，在系統(tǒng)小型化、成本,、功耗,、精確度等各個方面都具有顯著的優(yōu)勢。如果超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)能夠在不違反FCC功率限制的前提下再提高一些作用距離,、能夠進一步將天線以及整體系統(tǒng)小型化,，那么超寬帶技術(shù)將是實現(xiàn)“智能空間”系統(tǒng)的最佳選擇。
　　將超寬帶無線電技術(shù)應(yīng)用在室內(nèi)定位系統(tǒng)中有很多益處,，國外已有相關(guān)產(chǎn)品投入生產(chǎn)和使用,。可以預(yù)計,，未來的室內(nèi)定位系統(tǒng)將更加小巧,，更易于安裝，具有更高的分辨率,、穩(wěn)定性和可靠性,，而且超寬帶定位系統(tǒng)的智能化也是必然趨勢。發(fā)展我國自己的超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng),，能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和廣泛的社會效益,。
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