UWB十個知識點

UWB是一直被基于厚望的高精度定位技術

1：定位技術及UWB特點

位置空間感知技術包括了GNSS、RFID、藍牙和UWB，在室內和區(qū)域空間測量最 具技術優(yōu)勢的技術是UWB。

GNSS是廣域定位技術，室內以及建筑物旁邊等場景，GNSS無法實現定位，需要考慮類似UWB的區(qū)域定義技術。GNSS另一個局限性就是功耗大，沒有通訊功能，需要增加類似地面蜂窩通訊實現數據通訊。UWB技術支持定位同時，實現數據的雙向通訊。

RFID由于其無源和低成本優(yōu)勢，以及標簽多種形態(tài)優(yōu)勢，應用于物品追溯管理更適用。感知距離近(3-5米)是RFID應用的局限性，在涉及大件物品固定區(qū)域出入以及位置管理可以考慮UWB技術；

涉及到大量公眾人群以及智能手機互動的場景，基本考慮藍牙或NFC，醫(yī)院和停車場位置感知多數采用藍牙提供位置服務；藍牙最 大的優(yōu)勢是和智能手機無縫互動，智能手機就是電子標簽。藍牙的劣勢是抗干擾能力差，另外潮濕環(huán)境對于藍牙信號影響大。

在區(qū)域室內外環(huán)境內的2B &2C應用場景，需要比較高的位置空間感知要求，UWB才會有真正用武之地。

2：UWB和藍牙、RFID、WiFi

UWB是一種高精度的無線測量技術，藍牙、RFID以及WiFi三種技術，嚴格意義不屬于無線測量技術，只能算是一種存在性感知技術。

藍牙和WiFi更側重與近距離、中距離的數據通訊，RFID則是無源近距離感知及觸發(fā)性微量數據通訊；

同時具備高精度的TOF測距、TOA的納秒級到達時間精度以及AOA高精度到達角度測量，只有UWB一種技術具備。

3：UWB和BLE無線物聯(lián)網數據通訊

UWB在無線物聯(lián)網數據通訊的安全性比藍牙有優(yōu)勢：相比藍牙物聯(lián)網數據通訊，UWB具備頻率、抗干擾、抗多徑等優(yōu)勢。

此外除了脈沖通訊機制、精準測距的無線防偽機制，UWB新通訊標準增加了STS等括鏈路層安全通訊機制。在汽車鑰匙、無線支付等應用場景更具優(yōu)勢。

4：UWB三個核心精準測量技術

5：基于UWB測量技術的常規(guī)定位算法

基于TOF的坐標定位：優(yōu)點：算法簡單、精度較高。缺點：標簽費電、系統(tǒng)容量小

基于TDOA的坐標定位：優(yōu)點：標簽省電、系統(tǒng)容量大。缺點：基站需高精度時間同步、包絡線外精度低

基于AOA+TOF的坐標定位：優(yōu)點：需要基站數量少。缺點：準確測量角度困難，信號遮擋敏感

6：坐標定位以及坐標定位的精度有實際意義的嗎？

其實很多封閉區(qū)域或者室內環(huán)境，希望掌握目標的位置空間，并非位置坐標，目標的位置空間和目標的位置坐標有什么應有和實施的區(qū)別嗎？

如果得到目標的位置坐標，需要以下幾個前提條件：

n  需要建立區(qū)域空間統(tǒng)一坐標系，對于有很多建筑物以及立體空間而言，這個有難度；

n  需要對空間精準地理測繪，嚴格按照空間物體的物理尺寸，這個工作落地難度很大，就算用激光雷達對現實空間三維建模，工作量也是巨大的；

n  根據建立的坐標系和現場的精準地理信息測繪，制作現實空間的三維地圖，制圖工作巨大；如果需要PC和智能手機同時支持，則需要制作兩套地圖；PC和智能手機應用側需要消耗大量CPU資源來支撐三維地圖的調用；

n  解算目標的坐標，需要部署大量定位基站，每個定位基站需準確地理坐標標定；并且按照三角定位的原則，要求每個定位點需保證有三個可視基站，同時還涉及到人員的佩戴方式限制，幾乎是不可能完成的任務；

以上工作如果沒有準確落實，10-30厘米的定位精度就毫無意義；

坐標定位是一個復雜的精準測繪的系統(tǒng)工程。

7：坐標軌跡和行蹤軌跡

坐標軌跡的對管理其實沒有太大意義，管理的目的是掌握目標的行蹤而非坐標軌跡。坐標軌跡和區(qū)域行蹤有哪些區(qū)別？

坐標軌跡是基于幾何學算法，采用三角定位或者AOA算法，解算目標坐標；坐標定位嚴重依賴現場的精準測繪，對于環(huán)境的干擾沒有魯棒性。

行蹤軌跡采用空間網格化管理方式，基于UWB信號的機器學習，將物理空間定義若干空間區(qū)域，基于區(qū)域的方式，實現目標行蹤管理。優(yōu)勢在于：無需現場地理測繪，無需基站坐標標定，實際環(huán)境定義任意管理區(qū)域。

基于UWB信號區(qū)域空間而非坐標的目標蹤跡管理相比坐標定位和坐標軌跡，部署實施更簡單，基站數量也大大減少（不到20%），體驗感也更強（位置感知穩(wěn)定），是最 具性價比的位置空間感知解決方案。

8：UWB坐標電子圍欄和UWB機器學習電子圍欄

傳統(tǒng)UWB電子圍欄幾乎都是基于坐標的電子圍欄，有很多應用局限性：首先只能在圖上定義，沒有辦法現場定義，導致基于地圖的電子圍欄定義和實際有差距；此外，坐標定位受到實際環(huán)境影響很大，定位準確度以及穩(wěn)定性在復雜工業(yè)環(huán)境波動很大，導致坐標電子圍欄根本就沒有辦法在復雜工業(yè)環(huán)境使用；

基于UWB信號機器學習區(qū)域空間電子圍欄，無需現場的地理測繪，無需錨點的坐標標定，全無線部署，現場區(qū)域任意定義。由于基于UWB信號的機器學習而非幾何學算法，對于復雜工業(yè)環(huán)境有不錯的魯棒性，適用于工業(yè)環(huán)境UWB電子圍欄的需求應用。

9：人體及環(huán)境對于UWB通訊干擾

n  人體對UWB的干擾

人體的表面具有平滑且彎曲特點，無線信號在人體表面會形成爬行波。爬行波會令無線信號到達時間以及信號能量衰減都發(fā)生變化。

標簽放置在頭部的性能是最優(yōu)的，丟包率和測距誤差都是最小的；快速運動丟包率提高，測距精度變化不大；胸部時，被人體阻擋的UWB信號有超過50%的測距包丟失，精度也下降了很多；

人員標簽最 佳佩戴方式是頭戴或者臂戴。

n  墻體、玻璃、金屬、液體、草地、樹葉對于UWB通訊干擾

UWB可以穿過一般的墻體，CH5和CH9的表現好于CH2；玻璃基本沒有什么影響；金屬會造成信號的折射，導致測距加長、達到時間加長、到達角度不準；

雨天和潮濕環(huán)境會造成無線信號的能量的衰減，UWB在濕度大的環(huán)境表現要遠好于2.4G信號的藍牙和WiFi。

無線電磁波信號是不能在液體里面?zhèn)鞑?，像聲波的物理波才可以在水下傳播。草地和樹葉會導致UWB信號的能量衰減，導致傳輸距離下降，對于測量精度影響有限。

10：如何面對位置空間需求

n  需求分析并確認定位技術路線

類似巡檢簡單需求，采用藍牙或者RFID就可以了，只有涉及到高要求位置服務需求場景，才考慮UWB技術路線。比如井下復雜且潮濕的環(huán)境、復雜工業(yè)環(huán)境電子圍欄的需求、工業(yè)環(huán)境輔助無人駕駛等等場景。

n  UWB合理技術方案

類似地下隧道場景，推薦采用一維定位；類似操場等沒有遮擋物的環(huán)境，可考慮二維坐標定位；有高度定位的需求，采用氣壓差的方法測量高度；復雜工業(yè)環(huán)境的電子圍欄以及作業(yè)面的區(qū)域管理，推薦采用精細網格化算法；復雜環(huán)境的人/車/物出入管理，考慮出入口算法；類似AGV無人駕駛需求，建議采用UW標錨點的方位定位；大型資產固定場所的定位，可采用方位定位，也可考慮移動式方位定位實現固定資產流動盤點。

針對不同場景采用定位技術路線，才是真正能解決問題的高性價比的方案。

n  UWB部署實施注意事項

錨點天線離附近的金屬物體30-50厘米；CH2和5G蜂窩通訊有相互干擾，盡量采用CH5或者CH9；方位定位距離建議不要超過20-30米；AOA對于收發(fā)天線的方向有一定要求，接收角度在-60°到+60°；TDOA依賴基站之間嚴格的時間同步，需要保證SYNC或者RELAY和錨點的UWB通訊。