UWB定位系列專題：
［目錄］
- 背景介紹
- 室內(nèi)定位系統(tǒng)(IPS)
- 基于位置服務(wù)(LBS)
- 超寬帶(UWB)技術(shù)
- UWB定位系統(tǒng)
- 無線定位方案比較
- UWB定位應(yīng)用
- UWB定位面對的挑戰(zhàn)
背景介紹
室內(nèi)定位系統(tǒng)(IPS)
自20世紀(jì)70年代美國開始研制全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)僵芹，并于1994年建成以來霹俺，其在軍事谐宙、工業(yè)他挎、民用等領(lǐng)域的應(yīng)用取得了巨大成功筝尾。然而，由于GPS采用UHF信號办桨，加之從衛(wèi)星發(fā)射的GPS信號到達(dá)地面時(shí)衰減到很弱的功率筹淫，使得GPS很難進(jìn)一步穿透如地底、水下呢撞、建筑物等损姜。同時(shí)，對于如建筑密集的城區(qū)殊霞，建筑等產(chǎn)生的GPS反射信號干擾原始GPS信號降低其信噪比摧阅，使得GPS也無法很好地工作，因而GPS大多應(yīng)用于室外空曠場景绷蹲。
盡管GPS主導(dǎo)了室外場景下米級精度的定位市場棒卷，然而卻無力進(jìn)一步擴(kuò)展到對位置感知需求愈加強(qiáng)烈的室內(nèi)場景。作為未來工業(yè)4.0基礎(chǔ)的智慧工廠祝钢、智能制造比规、智能物流、人機(jī)協(xié)作等拦英，需要通過對原料蜒什、貨物、資產(chǎn)疤估、設(shè)備灾常、人員等進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度的定位與追蹤，從而實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)流程做裙、客戶需求岗憋、市場反饋、商品成本等進(jìn)行快速調(diào)整和優(yōu)化锚贱。
IPS(Indoor Positioning System)指在室內(nèi)環(huán)境中利用無線仔戈、光學(xué)、聲學(xué)、地磁場监徘、慣性導(dǎo)航等多種技術(shù)方式提供對人員晋修、物體等進(jìn)行定位能力的系統(tǒng)。盡管IPS在商業(yè)凰盔、零售墓卦、工業(yè)等領(lǐng)域有大量的應(yīng)用，然而由于室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜和多變性户敬，使得當(dāng)前沒有單一或標(biāo)準(zhǔn)化的方案能主導(dǎo)室內(nèi)定位需求落剪，在不同的應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)需求以及成本預(yù)算下大多使用一種傳感器數(shù)據(jù)或組合多種傳感數(shù)據(jù)的定制化的解決方案。
IPS根據(jù)使用的傳感器類別不同主要分為以下幾類：
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無線定位傳感器
- WiFi
- Bluetooth
- RFID
- Zigbee
- UWB
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光學(xué)定位傳感器
- Infra-red sensor (紅外傳感器)
- LiFi
- Camera (視覺傳感器)
- Lidar (激光雷達(dá))
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聲學(xué)定位傳感器
- Ultrasound sensor (超聲波傳感器)
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地磁定位傳感器
- Magnetometer (磁力計(jì))
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慣性定位傳感器
- Accelerometer (加速度計(jì))
- Gyroscope (陀螺儀)
- IMU (慣性測量單元) (~ Accelerometer + Gyroscope)
基于位置服務(wù)(LBS)
LBS(location-based service)是一種根據(jù)用戶的位置信息為用戶提供相關(guān)信息/業(yè)務(wù)/需求的服務(wù)方式尿庐，國內(nèi)最常見的LBS應(yīng)用包括：
- 地圖類APP基于用戶實(shí)時(shí)位置所提供的導(dǎo)航服務(wù)忠怖，天氣預(yù)警信息，交通擁塞通知等抄瑟；
- 本地生活類APP等基于用于用戶位置投放廣告或促銷信息等凡泣，如推薦的住宿服務(wù)，餐飲服務(wù)皮假，娛樂場所等鞋拟；
- 匿名/熟人社交APP所提供的附近人交友的功能；
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LBS系統(tǒng)主要基于定位技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)兩大支撐惹资，其中定位能力更是LBS的前提條件贺纲，精確的定位能力可進(jìn)一步擴(kuò)展LBS的應(yīng)用場景同時(shí)優(yōu)化其使用體驗(yàn)。C端場景當(dāng)前主要利用手機(jī)自帶的WiFi褪测，Bluetooth實(shí)現(xiàn)~10m精度的定位能力哮笆，隨著Iphone11增加U1芯片提供對UWB技術(shù)的支持，未來C端用戶可以借助手機(jī)內(nèi)置的UWB芯片獲得<10cm的定位精度而無需攜帶額外的UWB定位標(biāo)簽設(shè)備汰扭。
超寬帶(UWB)技術(shù)
UWB(Ultra Wide Band）技術(shù)是一種具有低功耗高數(shù)據(jù)速率的無載波通信技術(shù)稠肘，它不采用正弦載波，而是利用[亞]納秒級的非正弦窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)萝毛，因此UWB系統(tǒng)占據(jù)很寬的頻帶项阴，同樣由于發(fā)射的信號脈沖持續(xù)時(shí)間極短，也使得UWB系統(tǒng)具有很低的發(fā)射功率譜密度笆包。美國FCC在2002年發(fā)布了全球首個(gè)UWB設(shè)備監(jiān)管規(guī)范环揽，其中定義“具有分?jǐn)?shù)帶寬大于等于20%，或頻率帶寬等于大于500MHz”的無線傳輸設(shè)備為UWB設(shè)備庵佣。[其中帶寬指在功率譜上-10dB截?cái)囝l率區(qū)間的頻帶寬度]
UWB是一項(xiàng)可追溯到20世紀(jì)50年代的脈沖通信技術(shù)歉胶，不過早期主要用于軍事雷達(dá)和軍事定位和軍事通信系統(tǒng)，2002年由FCC批準(zhǔn)用于民用通信巴粪，并限定其使用的頻譜范圍為3.1-10.6GHz通今，設(shè)備的發(fā)射功率需低于-41.3dBm/MHz粥谬。ITU-R-2006給出了UWB技術(shù)以下幾個(gè)方面的應(yīng)用場景：
- 探地雷達(dá)
- 穿墻雷達(dá)成像
- 醫(yī)學(xué)成像
- 監(jiān)控追蹤
- 車載雷達(dá)
- 測距定位
- 無線通信
相比WiFi，Bluetooth等無線技術(shù)辫塌，UWB技術(shù)具有系統(tǒng)復(fù)雜度漏策、低成本低、帶寬大傳輸速率高臼氨、發(fā)射信號功率譜密度低掺喻、穿透能力強(qiáng)、對信道衰落不敏感储矩、抗多徑能力強(qiáng)感耙、截獲能力低、時(shí)間戳精度高持隧、測距定位精度高抑月、與現(xiàn)有其他無線通信系統(tǒng)共享頻譜等優(yōu)點(diǎn)，使得其適用于室內(nèi)場所的高速無線數(shù)據(jù)通信和無線定位舆蝴。
UWB定位系統(tǒng)
UWB定位系統(tǒng)與WiFi定位系統(tǒng)或Bluetooth定位系統(tǒng)有很多功能類似的系統(tǒng)組件，主要的相同點(diǎn)是這幾種定位系統(tǒng)都有基站和設(shè)備/標(biāo)簽的區(qū)分题诵，整個(gè)定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性洁仗、精度、功耗性锭、成本等都和基站設(shè)計(jì)赠潦、部署有關(guān)，然而草冈，UWB定位系統(tǒng)中基站的用途和功能與其他定位系統(tǒng)有巨大區(qū)別她奥，WiFi定位系統(tǒng)和Bluetooth定位系統(tǒng)用戶設(shè)備主要依據(jù)接收到的基站信號強(qiáng)度來確定與基站間的距離大小，對基站發(fā)送的廣播信號時(shí)間屬性沒有要求怎棱，對基站間的時(shí)鐘同步精度也沒有要求哩俭，但在UWB定位系統(tǒng)中，由于需要利用UWB脈沖信號具有的高時(shí)間分辨率性質(zhì)來進(jìn)行定位拳恋，使得UWB定位基站的時(shí)鐘晶振穩(wěn)定性或UWB定位基站間的時(shí)鐘同步性能對系統(tǒng)提供高精度定位能力具有至關(guān)重要的影響凡资。
無線定位方案比較
此外，我們從
- 定位精確度
- 定位結(jié)果穩(wěn)定性
- 定位輸出頻率
- 定位時(shí)延與實(shí)時(shí)性
- 定位系統(tǒng)覆蓋范圍
- 定位系統(tǒng)擴(kuò)展/伸縮性
- 定位系統(tǒng)魯棒性(抗干擾能力)
- 定位設(shè)備功耗
- 定位系統(tǒng)成本
這幾個(gè)指標(biāo)方面對UWB谬运、WiFi隙赁、Bluetooth做具體比較：
UWB定位應(yīng)用
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從使用需求方面，UWB定位主要可分為以下兩類：
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實(shí)時(shí)導(dǎo)航:
這種需求主要針對需要對自己所處位置信息有實(shí)時(shí)感知的人員或智能機(jī)器人等梆暖，通過及時(shí)地獲取自身所處的位置從而進(jìn)行路線規(guī)劃與導(dǎo)航伞访、自主巡檢、定時(shí)定點(diǎn)操作轰驳、自動(dòng)駕駛等任務(wù)厚掷。
主要用于大型公共場所如醫(yī)院導(dǎo)航弟灼、商場/購物中心導(dǎo)購、停車場反向?qū)ぼ嚮确尽⒄箯d/博物館自助導(dǎo)游袜爪、飛機(jī)場/火車站/地鐵站導(dǎo)引、AGV/AMR智能機(jī)器人等薛闪。
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定位/監(jiān)控/追蹤:
這種需求主要針需要對人員或設(shè)備資產(chǎn)等進(jìn)行監(jiān)控和追蹤的場景辛馆，通過在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端對定位信息進(jìn)行聚合和追蹤，可有效的解決潛在的業(yè)務(wù)安全問題豁延，優(yōu)化生產(chǎn)流程瓶頸問題昙篙，防止資產(chǎn)丟失/人員走散問題，以及提供室內(nèi)LBS相關(guān)應(yīng)用等诱咏。
主要應(yīng)用于：
- 消費(fèi)者服務(wù)：家人防走散苔可、物品防丟失、LBS產(chǎn)品服務(wù)推送袋狞、LBS交友等焚辅。
- 企業(yè)服務(wù)：人流監(jiān)控和分析、訪客分布熱圖苟鸯、智慧倉儲(chǔ)和物流同蜻、智能制造、緊急救援早处、人員資產(chǎn)管理和服務(wù)機(jī)器人等湾蔓。
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從現(xiàn)有商業(yè)應(yīng)用方面，UWB定位主要有以下幾類使用場景：
- 智慧電廠定位砌梆；
- 公路默责、鐵路隧道施工人員定位；
- 高壓變電站維修巡檢人員定位咸包；
- 醫(yī)院桃序、護(hù)理院、養(yǎng)老院人員定位烂瘫；
- 監(jiān)獄葡缰、法院人員定位；
- 化工廠忱反、水泥廠泛释、工廠人員定位；
- 工廠叉車温算、天車定位怜校；
- 倉儲(chǔ)物流AGV/AMR等機(jī)器人定位；
- 博物館注竿、會(huì)展廳等人員導(dǎo)航茄茁；
- 地下停車場車輛定位與導(dǎo)航魂贬；
另外，對于在工業(yè)4.0中的應(yīng)用裙顽，如在汽車制造領(lǐng)域付燥，通過實(shí)時(shí)地跟蹤產(chǎn)品、部件愈犹、組件键科、原料、人員漩怎、設(shè)備等的信息勋颖，推進(jìn)并建立生產(chǎn)過程數(shù)字化和自動(dòng)化，從而可以快速地分析產(chǎn)品從需求到物料到生產(chǎn)到銷售的整個(gè)流程勋锤，并重點(diǎn)優(yōu)化其中影響生產(chǎn)效率的環(huán)節(jié)饭玲，最終使得企業(yè)對市場需求的變動(dòng)能做出更快的響應(yīng)，加快產(chǎn)品創(chuàng)新和縮減產(chǎn)品生產(chǎn)周期叁执，增強(qiáng)產(chǎn)品的質(zhì)量并同時(shí)降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本茄厘。
UWB定位面對的挑戰(zhàn)
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規(guī)模化市場需求
UWB定位相對于其它定位方式最大的優(yōu)勢的高精度的實(shí)時(shí)追蹤谈宛，但如此精度的定位能力卻能并未在規(guī)模更大的民用市場上占有一定規(guī)模次哈，目前UWB定位系統(tǒng)主要通過需求定制化設(shè)計(jì)應(yīng)用于特定行業(yè)，這主要是因而：一方面入挣，在民用市場上，盡管能提供~10cm的位置精度硝拧，使用UWB定位需要用戶額外攜帶UWB定位標(biāo)簽径筏，然而，用戶手機(jī)端自帶的Wifi和Bluetooth可提供~10m的定位能力障陶，對大部分的場景來說基本夠用滋恬；另一方面，在工業(yè)領(lǐng)域抱究，對設(shè)備的定位精度需要能穩(wěn)定的提供~1cm的位置精度恢氯，這對UWB定位系統(tǒng)來說具有極大的挑戰(zhàn)，需要從UWB硬件芯片到上層系統(tǒng)算法進(jìn)行高度優(yōu)化鼓寺，目前市場上UWB定位系統(tǒng)服務(wù)商大多使用Decawave公司生產(chǎn)的DW1000芯片勋拟，并不足以提供滿足工業(yè)需求的高精度定位能力。
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研發(fā)&部署成本
由于目前UWB技術(shù)還未建立完整成熟的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和算法實(shí)現(xiàn)妈候，現(xiàn)有的商業(yè)案例大多以定制化的解決方案為主敢靡，這使得每個(gè)客戶都必須間接承擔(dān)很大的研發(fā)成本，加之UWB市場規(guī)目嘁化不大而導(dǎo)致的單個(gè)設(shè)備成本價(jià)格價(jià)高啸胧，也使得UWB定位網(wǎng)絡(luò)的部署成本極大地高于WiFi赶站，Bluetooth等。為解決該問題纺念，必須探索更多的UWB定位應(yīng)用場景贝椿，特別是民用/商用UWB定位需求，使得通過規(guī)南萜祝化的產(chǎn)品生產(chǎn)來降低單品的市場價(jià)格烙博。隨著Apple在2019.09推出內(nèi)置名為U1的UWB芯片的Iphone11系列手機(jī)，同時(shí)Samsung叭首，Huawei等也有在進(jìn)行手機(jī)端支持UWB芯片的項(xiàng)目习勤，預(yù)計(jì)可加速促進(jìn)UWB技術(shù)的市場化，發(fā)掘出更多UWB技術(shù)的使用場景焙格。
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高可用性與抗干擾能力
UWB要大規(guī)模應(yīng)用于室內(nèi)定位市場图毕，定位精度只是其中最重要和最基本的指標(biāo)，更重要的是需要解決在各種復(fù)雜場景下的連續(xù)眷唉、可靠予颤、穩(wěn)定的提供定位能力。這需要解決以下幾個(gè)方面的問題：
- 更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性：1. UWB定位系統(tǒng)需要能夠在各種大小規(guī)模的場景下能夠提供一致的定位性能冬阳，包括從民用住宅~100m^2 到廠房/商場/購物中心10000-100000m^2 等規(guī)模大懈蚺啊； 2. UWB定位系統(tǒng)需要適應(yīng)各種建筑設(shè)施肝陪，工作環(huán)境等驳庭，例如，商場/工廠條件下不同的人員數(shù)量氯窍、廠房車間/展廳醫(yī)院條件下存在不同的金屬物體饲常、園區(qū)景區(qū)/室內(nèi)具有不同的天氣狀況等；
- 更好的抗干擾能力：UWB定位系統(tǒng)需要更好地解決：1. 環(huán)境建筑狼讨、人員贝淤、物體等干擾：如NLOS(非視距)、多徑政供、反射播聪、繞射、散射等布隔； 2. 環(huán)境無線信號干擾：蜂窩網(wǎng)絡(luò)(Celluar)离陶、WiFi、Bluetooth衅檀、Zigbee等窄帶信號對其通信/測距產(chǎn)生的干擾枕磁；
- 更好地與其他傳感器數(shù)據(jù)融合：單一的傳感器很難覆蓋各種不同的應(yīng)用場景，為提升系統(tǒng)的精度术吝、增強(qiáng)結(jié)果的穩(wěn)定性计济、增加系統(tǒng)的魯棒性茸苇、擴(kuò)大系統(tǒng)的應(yīng)用范圍等，與不同的傳感器數(shù)據(jù)源進(jìn)行組合優(yōu)化沦寂、相互矯正是最直接最經(jīng)濟(jì)最可靠的選項(xiàng)学密，然而這也同時(shí)帶來的更大的工程挑戰(zhàn)；
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來自其他無線方案的競爭
最新的Bluetooth5.1標(biāo)準(zhǔn)增加了對信號到達(dá)角传藏、發(fā)射角的測量腻暮，從而Bluetooth定位系統(tǒng)除了使用RSSI進(jìn)行定位還可以同時(shí)使用AOA進(jìn)行定位，使得系統(tǒng)的定位精度在較理想的情形下可提升至0.1-1m的范圍區(qū)間毯侦，然而哭靖，和UWB使用AOA定位一樣，AOA方案在有多徑干擾的情形下具有很大甚至錯(cuò)誤的角度誤差從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的定位結(jié)果侈离。
政策法規(guī)問題
