近年來(lái)，隨著近距離無(wú)線電技術(shù)的高速發(fā)展和無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，使得室內(nèi)定位技術(shù)突飛猛進(jìn)。在開(kāi)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(shí)，人們對(duì)室內(nèi)定位信息的需求也與日俱增，機(jī)場(chǎng)、展廳、寫(xiě)字樓、倉(cāng)庫(kù)、地下停車(chē)場(chǎng)、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(duì)可用空間和庫(kù)存物資實(shí)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(lái)新興發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)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(guó)、加拿大、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家近年投入了大量的人力、物力對(duì)相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。我國(guó)正處于信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，應(yīng)該抓住機(jī)遇，爭(zhēng)取在室內(nèi)定位系統(tǒng)這個(gè)有著極大現(xiàn)實(shí)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(shí)、接收機(jī)、控制中心等主要部分。標(biāo)識(shí)帶有發(fā)射電路，附在需要定位的個(gè)人或物體上，配置惟一的標(biāo)識(shí)碼，發(fā)射信號(hào)給接收機(jī)。接收機(jī)安裝在建筑物的四周或天花板上，多個(gè)接收機(jī)相互連接，組成網(wǎng)絡(luò)?？刂浦行奶幚砀鱾€(gè)接收機(jī)得到的數(shù)據(jù)，通過(guò)信號(hào)處理、數(shù)據(jù)融合對(duì)標(biāo)識(shí)進(jìn)行定位，其跟蹤系統(tǒng)可以利用標(biāo)識(shí)不同時(shí)刻傳回的定位信息繪制運(yùn)動(dòng)軌跡，推測(cè)其未來(lái)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，還可根據(jù)標(biāo)識(shí)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(wú)線技術(shù)可以進(jìn)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(guò)接收到的信號(hào)參數(shù)，根據(jù)特定的算法對(duì)個(gè)人或者物體在某一時(shí)刻所處的位置進(jìn)行測(cè)量。在應(yīng)用精度上大致可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)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(wú)或者所在的區(qū)域；另一類(lèi)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(shí)時(shí)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(jìn)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(lái)，最典型的有臨近檢測(cè)(PD)、信號(hào)強(qiáng)度分析法(RSSI)、到達(dá)時(shí)間定位(TOA)、到達(dá)時(shí)間差定位(TDOA)以及到達(dá)時(shí)間定位(AOA)^[3]。
　　·臨近檢測(cè)(Proximity Detection)。臨近檢測(cè)依靠密集的天線陣列，每個(gè)天線的位置已知，根據(jù)接收到信號(hào)最強(qiáng)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(dá)到米級(jí)精度，而且天線位置須是等間隔的。
　　·信號(hào)強(qiáng)度分析法(Received Signal Strength)。利用接收信號(hào)的強(qiáng)度與發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間距離的關(guān)系，建立信號(hào)的傳播模型對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。由于這種算法對(duì)信道傳輸模型的依賴性非常強(qiáng)，多徑效應(yīng)、墻壁的遮擋以及環(huán)境條件的變化都會(huì)使其精度嚴(yán)重惡化。
　　·到達(dá)時(shí)間定位(Time Of Arrival)。標(biāo)識(shí)發(fā)射信號(hào)到達(dá)3個(gè)以上的接收機(jī)，通過(guò)測(cè)量到達(dá)不同接收機(jī)所用的時(shí)間(須保證時(shí)間同步)，可以計(jì)算出標(biāo)識(shí)與接收機(jī)之間的距離，然后以接收機(jī)為圓心、標(biāo)識(shí)與接收機(jī)之間的距離為半徑做圓，3個(gè)圓的交點(diǎn)即為移動(dòng)終端所在的位置。
　　·到達(dá)時(shí)間差定位(Time Difference Of Arrival)。這種定位算法與TOA類(lèi)似，只是所測(cè)量為時(shí)間差而非絕對(duì)時(shí)間，利用雙曲線交叉進(jìn)行定位。由于，不必滿足嚴(yán)格時(shí)間同步的要求，使得系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)化，所以TDOA算法在定位系統(tǒng)中大量被應(yīng)用。
　　·到達(dá)角度定位(Angle Of Arrival)。這種定位方法通過(guò)測(cè)量標(biāo)識(shí)到兩個(gè)接收機(jī)的信號(hào)到達(dá)角度來(lái)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(dá)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(hào)形式上看，紅外、超聲波和射頻無(wú)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(shí)和天線大小、造價(jià)幾方面分別進(jìn)行介紹。
　　·RFID^[4] 。此系統(tǒng)基于信號(hào)強(qiáng)度分析法，采用聚合算法對(duì)三維空間進(jìn)行定位，通過(guò)標(biāo)識(shí)檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)弱來(lái)表示標(biāo)識(shí)之間的距離，主要用于門(mén)禁系統(tǒng)，包括主動(dòng)RFID和被動(dòng)RFID。優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)識(shí)的體積比較小，造價(jià)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(shí)通過(guò)發(fā)射調(diào)制的紅外射線，通過(guò)安裝在室內(nèi)的光學(xué)傳感器接收進(jìn)行定位。雖然紅外線具有相對(duì)較高的室內(nèi)定位精度，但是由于光線不能穿過(guò)障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播。當(dāng)標(biāo)識(shí)放在口袋里或者有墻壁及其他遮擋時(shí)就不能正常工作，因此需要在每個(gè)房間、走廊安裝接收天線，造價(jià)較高。目前Olivetti研究實(shí)驗(yàn)室的Active Badge系統(tǒng)采用該項(xiàng)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(cè)距法，通過(guò)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(diǎn)。目前Cricket System和Active Bat采用該技術(shù)。
　　·藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)。藍(lán)牙技術(shù)用于室內(nèi)定位時(shí)，采用經(jīng)驗(yàn)測(cè)試與信號(hào)傳播模型相結(jié)合的方式，通過(guò)測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定位。其最大的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備體積小、易于集成在PDA、PC以及手機(jī)中，因此很容易推廣普及。理論上，對(duì)于持有集成了藍(lán)牙功能移動(dòng)終端設(shè)備的用戶，只要設(shè)備的藍(lán)牙功能開(kāi)啟，藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)就能夠?qū)ζ溥M(jìn)行位置判斷。目前藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)的主要不足在于藍(lán)牙器件和設(shè)備的價(jià)格比較昂貴，而且對(duì)于復(fù)雜的空間環(huán)境，藍(lán)牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差。目前美國(guó)的Tadlys等公司正在應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)。
　　通過(guò)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(jiǎn)單需求，但是要達(dá)到室內(nèi)“智能空間”的要求，還有一定差距。超寬帶信號(hào)與傳統(tǒng)無(wú)線電信號(hào)有著根本區(qū)別，這種新的信號(hào)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(shí)大小、功耗、造價(jià)、精度、實(shí)時(shí)性、通信能力以及可擴(kuò)充性能等方面得到大幅度提升，滿足人們對(duì)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(xiàng)嶄新的無(wú)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(shì)也非常適合于民用的各領(lǐng)域，因此近年來(lái)各國(guó)對(duì)UWB技術(shù)格外重視。
　　超寬帶技術(shù)是基于極窄脈沖的無(wú)線電技術(shù)。超寬帶探測(cè)與傳統(tǒng)的探測(cè)系統(tǒng)相比較，無(wú)論是工作機(jī)理還是技術(shù)實(shí)現(xiàn)都有極大的區(qū)別。當(dāng)無(wú)線電探測(cè)系統(tǒng)的相對(duì)帶寬(信號(hào)帶寬與中心頻率的比值)大于20％時(shí)就稱(chēng)之為超寬帶探測(cè)系統(tǒng)。即要滿足。式中的fh為頻率高端-10dB下降頻點(diǎn)位置，fl為低端-10dB下降頻點(diǎn)。
　　實(shí)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(hào)的無(wú)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(duì)帶寬接近甚至大于200％。與傳統(tǒng)的無(wú)線電探測(cè)系統(tǒng)相比較，在超寬帶探測(cè)系統(tǒng)中不需要載頻，能夠直接用產(chǎn)生的窄脈沖去激勵(lì)天線、輻射電磁波來(lái)進(jìn)行目標(biāo)的探測(cè)。
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(dòng)UWB接收機(jī)、UWB參考標(biāo)識(shí)以及若干主動(dòng)UWB標(biāo)識(shí)^[7]。
　　圖2為超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)的信號(hào)處理框圖^[8]。標(biāo)識(shí)的時(shí)鐘從存儲(chǔ)器中讀出偽隨機(jī)時(shí)間間隔" title="時(shí)間間隔">時(shí)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(guò)調(diào)制后的時(shí)序激勵(lì)窄脈沖產(chǎn)生電路，產(chǎn)生初級(jí)窄脈沖。為了提高探測(cè)距離，需要使用脈沖放大電路對(duì)脈沖進(jìn)行放大，提高脈沖幅度后再通過(guò)天線向室內(nèi)空間輻射。每個(gè)UWB接收機(jī)在系統(tǒng)時(shí)鐘的控制下接收標(biāo)識(shí)發(fā)射的UWB信號(hào)。由于在電磁波輻射過(guò)程中，必然混雜進(jìn)各種噪聲及干擾信號(hào)，因此還必須對(duì)這些無(wú)用信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾。經(jīng)過(guò)這些步驟后即得到含有效信息的信號(hào)。脈沖的寬度極窄，為了準(zhǔn)確地對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行采集，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行等效采樣。采樣后的信號(hào)經(jīng)篩選，提取出有效信息，最后通過(guò)中央處理單元的定位算法得到標(biāo)識(shí)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(diǎn)
3.1.1 高分辨率
　　探測(cè)設(shè)備對(duì)目標(biāo)的識(shí)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(shí)域有效寬度。超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)因其亞納秒級(jí)極窄脈沖的時(shí)間寬度，因此它的距離分辨率極高，可以達(dá)到厘米量級(jí)。利用這個(gè)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(cè)過(guò)程中發(fā)射的是窄脈沖串" title="脈沖串">脈沖串，但脈沖間的時(shí)間間隔不是固定不變的，而是按照特定規(guī)律進(jìn)行偽隨機(jī)跳變。一般情況下，相互間間隔按照偽隨機(jī)規(guī)律改變后的發(fā)射脈沖信號(hào)可用公式(1)表示：
　　
　　其中,T_f為脈沖重復(fù)幀時(shí)間；T_c為時(shí)隙(time-hopping)時(shí)間；C_j為偽隨機(jī)時(shí)隙編碼。
　　將上述變化過(guò)程看作窄脈沖串的時(shí)間間隔調(diào)制。在調(diào)制前，對(duì)于單個(gè)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(dá)到非常小的量級(jí)。脈沖間隔被偽隨機(jī)調(diào)制后，脈沖串的頻譜更顯示出類(lèi)似噪聲的特性。圖3是沒(méi)有經(jīng)過(guò)時(shí)間間隔調(diào)制的脈沖串的譜線，圖4是已經(jīng)進(jìn)行了偽隨機(jī)時(shí)間間隔調(diào)制后脈沖串的頻譜。從兩圖對(duì)比可以清晰地看出脈沖串在時(shí)間間隔調(diào)制前和調(diào)制后的頻譜變化。類(lèi)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(wú)線電室內(nèi)定位系統(tǒng)中所有信息來(lái)自特定頻率的電磁波，在無(wú)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(diǎn)的標(biāo)識(shí)可能會(huì)接收到其他設(shè)備的同頻信號(hào)，從而出現(xiàn)系統(tǒng)紊亂或錯(cuò)誤定位。所以定位系統(tǒng)必須為每個(gè)標(biāo)識(shí)都分配專(zhuān)門(mén)的工作頻點(diǎn)，這種工作模式是對(duì)頻譜資源的一種浪費(fèi)。對(duì)超寬帶系統(tǒng)而言，具有極低的信/擾比門(mén)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(hào)不會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)產(chǎn)生不良的干擾，可以與之共享頻帶，實(shí)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(méi)有限制地被用在室內(nèi)定位領(lǐng)域的一個(gè)很重要的原因。
3.1.3 多用戶共享
　　前面所述的偽隨機(jī)時(shí)間間隔調(diào)制表達(dá)式是對(duì)單個(gè)用戶而言；對(duì)于多用戶，超寬帶系統(tǒng)可以對(duì)不同的用戶分配不同的偽隨機(jī)編碼，根據(jù)不同編碼進(jìn)行脈沖位置調(diào)制。類(lèi)似于無(wú)線通信中的多址通信方式。這樣在相關(guān)接收端，每個(gè)用戶只能從回波信號(hào)中提取按照自身編碼調(diào)制過(guò)的發(fā)射信號(hào)，其他標(biāo)識(shí)發(fā)射回波即使被天線接收也會(huì)自動(dòng)濾除。因此標(biāo)識(shí)能夠同時(shí)使用同種定位設(shè)備，可以互不干擾地共享無(wú)線資源。不同用戶發(fā)射的第k個(gè)窄脈沖信號(hào)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(shí)信號(hào)必然包含了各種干擾。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,復(fù)雜環(huán)境中多徑時(shí)延常為納秒級(jí),當(dāng)前的相對(duì)窄帶無(wú)線電系統(tǒng)無(wú)法對(duì)如此小的時(shí)延進(jìn)行分辨。超寬帶系統(tǒng)采用納秒級(jí)的離散窄脈沖進(jìn)行探測(cè),經(jīng)多徑反射的延時(shí)信號(hào)與直達(dá)信號(hào)在時(shí)間上可以分離, 能夠很好地分離出干擾信號(hào)，提取出有用信息，具有強(qiáng)抗多徑衰落能力。
　　除上述特點(diǎn)外，超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)還有很多其他優(yōu)點(diǎn)，如無(wú)中頻電路、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)化、硬件易實(shí)現(xiàn)、功耗低等。
3.2 室內(nèi)定位技術(shù)比較
　　表1通過(guò)評(píng)定等級(jí)的方式比較現(xiàn)有的幾種室內(nèi)定位技術(shù)，用☆☆☆、☆☆、☆表示三個(gè)等級(jí)，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(gè)方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)。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(jìn)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(shí)現(xiàn)“智能空間”系統(tǒng)的最佳選擇。
　　將超寬帶無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用在室內(nèi)定位系統(tǒng)中有很多益處，國(guó)外已有相關(guān)產(chǎn)品投入生產(chǎn)和使用?？梢灶A(yù)計(jì)，未來(lái)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(shì)。發(fā)展我國(guó)自己的超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)，能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的社會(huì)效益。
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