基于UWB的非暴露空間位置服務探究

技術背景

城市軌道交通對空間位置服務有特定的痛點和需求，尤其是針對地下封閉非暴露空間開展的位置服務，如風險防控、應急指揮、維護維修、運行組織等；同時，空間位置服務是實現(xiàn)智慧城軌的關鍵技術之一，在智慧城軌交通中有著廣闊的應用前景。

目前主流定位技術為GNSS（Global Navigation Satellite System, 全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)），以人造地球衛(wèi)星為基礎，在近地空間提供準確的地理位置、速度以及時間信息，應用于高精度測繪、車載導航等諸多領域。然而，GNSS在室內無法定位。

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

技術分析

（ 1 ）主流室內定位技術****分析

基于藍牙的定位

藍牙室內定位基于RSSI（Received Signal Strength Indication，信號場強指示）實現(xiàn)，定位精度為2m ~ 10m ，適用于小范圍內的定位，如在醫(yī)院、養(yǎng)老院、展館等場景中對人員或特定設備的定位，其精度較高，且設備體積小，是目前主流的室內定位技術。然而藍牙定位的距離短、穩(wěn)定性較差，且受噪聲信號干擾大，建設成本以及網(wǎng)絡維護的成本較高，不適用于在城市軌道交通地下封閉空間內對人和設備的定位。

基于Wi-Fi的定位

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

RFID定位

RFID定位同樣基于RSSI實現(xiàn)，定位精度為1m-5m，主要應用于對商品、貨物的物流管理、生產管理和庫存管理。但同Wi-Fi、RFID相比，RFID的定位距離更短，并且由于標簽不具備通信能力，業(yè)務拓展性和兼容性不強。RFID只能支持是否存在于某個區(qū)域的辨識，不能做到實時跟蹤。定位精度由參考標簽及超高頻RFID讀寫器的位置和密度決定，達到同樣的精度要求，RFID讀寫器的部署相對復雜，數(shù)量較多，一定程度上限制了其在城市軌道交通行業(yè)的應用。

5G定位

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

在定位精度方面：3GPP R16版本要求對于80％的UE，水平定位精度優(yōu)于3米（室內）和10米（室外）。3GPP R17版本可達亞米級。然而5G定位受限于城市軌道交通的組網(wǎng)方式，由于隧道內大部分網(wǎng)絡基于漏纜，站臺等室內環(huán)境內也不適合部署大規(guī)模陣列天線，無法支持Massive MIMO, 波束賦形、波束跟蹤等新技術無法發(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)終端產品產業(yè)鏈不足，兼容性差。

總結上述室內定位技術的特征和適用場景，如下表所示：

室內定位技術特征與適用場景

上文中提到的定位技術一般是基于RSSI實現(xiàn)，雖能滿足室內定位的需求，但由于RSSI的固有缺陷，其應用范圍有限。在RSSI中，無線電信號的強度隨著空間中的距離而變化，當信號遠離信號源時信號強度會衰減。然而，信號強度并不能準確的反映出室內距離。室內的障礙物會干擾信號強度，這將導致RSSI的距離測算產生誤差，如下圖所示。

在圖1中，A點和B點均受到墻壁的干擾，這影響了A、B兩點距離的測量精度，C點處于開闊空間內，其距離測量和定位相比A、B兩點會更加精確。使用指紋識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數(shù)據(jù)庫，工作量大且成本耗費高。

（ 2 ）基于UWB的室內定位

基于UWB的室內定位技術定位精度高、安全性高，在基站覆蓋范圍內均可實現(xiàn)精準的室內定位、追蹤和導航。且其系統(tǒng)組成簡單，只需基站和標簽即可實現(xiàn)，高度契合城軌交通場景特征和業(yè)務需求，有著廣闊的應用前景。

UWB（Ultra Wide Band, 超寬帶）是一種無線載波通信技術，其頻率范圍在3.1 GHz ~ 10.6 GHz，最低信號帶寬為500 MHz。與其他無線電技術不同，UWB不使用幅度或頻率調制來編碼其信號傳輸?shù)男畔ⅲ遣捎谜}沖序列進行編碼。使用窄脈沖序列編碼使得UWB信號具有較低的功率譜密度，起到了類似擴頻的效果，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，使用窄脈沖信號編碼讓UWB定位能夠很好的避免多徑效應。這是因為窄脈沖信號時域狹窄且邊緣清晰，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，左圖為藍牙、Wi-Fi及RFID等窄帶信號的波形，右圖為UWB信號波形；從圖中可得知窄帶信號為連續(xù)信號，這一類信號由于連續(xù)性導致接收端難以區(qū)分徑向分量和反射分量，其在室內的定位誤差較大。而UWB的窄脈沖信號在時域上狹窄，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，常見的UWB定位算法由TWR（Two-way Ranging，雙向測距方法）、TDoA（Time Difference Of Arrival，到達時間差法）和PDoA（Phase Difference of Arrival，相位到達差法）。其中，TDoA主要用于室內定位。

TDoA會在區(qū)域內部署多個實現(xiàn)時間緊密同步的基站，當定位標簽進入?yún)^(qū)域后，會輻射發(fā)送信標信號，當基站接收到信標信號后，首先基于標記時間戳，而后多個基站的時間戳將轉發(fā)至服務器，服務器根據(jù)每個基站的信標信號計算到達時間差ToF（Time of Flight, 飛行時間），并獲取標簽的實時位置，如圖4所示。

圖4 TDoA技術原理

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

審核編輯 黃宇