基于UWB的非暴露空间位置服务探究

技术背景

城市轨道交通对空间位置服务有特定的痛点和需求，尤其是针对地下封闭非暴露空间开展的位置服务，如风险防控、应急指挥、维护维修、运行组织等；同时，空间位置服务是实现智慧城轨的关键技术之一，在智慧城轨交通中有着广阔的应用前景。

目前主流定位技术为GNSS（Global Navigation Satellite System, 全球导航卫星系统），以人造地球卫星为基础，在近地空间提供准确的地理位置、速度以及时间信息，应用于高精度测绘、车载导航等诸多领域。然而，GNSS在室内无法定位。

目前虽有许多成熟的室内定位技术，但均有其特定的适用场景，且其技术特征与城轨交通需求无法高度匹配。基于UWB的室内定位作为新兴的室内定位技术之一，其技术特征高度契合城轨交通需求，在后续智慧城轨的建设中拥有广泛的应用场景。本文调研了目前主流的室内定位技术，分析了其技术特征和适用场景并介绍了基于UWB的室内定位技术原理和应用案例，旨在开拓城轨交通室内定位方向的视野，以更好地开展室内定位场景的研究。

技术分析

（1）主流室内定位技术分析

基于蓝牙的定位

蓝牙室内定位基于RSSI（Received Signal Strength Indication，信号场强指示）实现，定位精度为2m ~ 10m ，适用于小范围内的定位，如在医院、养老院、展馆等场景中对人员或特定设备的定位，其精度较高，且设备体积小，是目前主流的室内定位技术。然而蓝牙定位的距离短、稳定性较差，且受噪声信号干扰大，建设成本以及网络维护的成本较高，不适用于在城市轨道交通地下封闭空间内对人和设备的定位。

基于Wi-Fi的定位

Wi-Fi定位基于RSSI实现，定位精度为3m ~ 15m ，主要用于工厂等硬件设备的资产管理，其产品成熟，价格低廉，但其易受环境干扰，尤其是城轨车地通信系统的同频干扰。Wi-Fi定位基于指纹识别算法虽然能够消除多径效应带来的误差，然而数据采集量大，因而无法在成本有限的情况下满足高精度实时跟踪、定位的功能需求。

RFID定位

RFID定位同样基于RSSI实现，定位精度为1m-5m，主要应用于对商品、货物的物流管理、生产管理和库存管理。但同Wi-Fi、RFID相比，RFID的定位距离更短，并且由于标签不具备通信能力，业务拓展性和兼容性不强。RFID只能支持是否存在于某个区域的辨识，不能做到实时跟踪。定位精度由参考标签及超高频RFID读写器的位置和密度决定，达到同样的精度要求，RFID读写器的部署相对复杂，数量较多，一定程度上限制了其在城市轨道交通行业的应用。

5G定位

基于5G的定位精度高，且有适用于不同定位场景的算法，如Multi-RTT（Multiple Round Trip Time， 多轮环回时间定位法）、UL-TDOA（Uplink Time Difference of Arrival，上行到达时间差定位法）、UL-AOA（Uplink Angle of Arrival， 上行到达角度定位法）、DL-TDOA（Downlink Time Difference of Arrival，下行到达时间差定位法）、DL-AOD（Downlink Angle of Departure， 下行离开角度定位法）、NR E-CID（New Radio Enhanced Cell ID Location，新空口增强Cell ID定位），能够在室内定位提供实时位置推送、电子围栏、地图管理、轨迹查询等服务，其具备高性能算力，且抗干扰能力强。

在定位精度方面：3GPP R16版本要求对于80％的UE，水平定位精度优于3米（室内）和10米（室外）。3GPP R17版本可达亚米级。然而5G定位受限于城市轨道交通的组网方式，由于隧道内大部分网络基于漏缆，站台等室内环境内也不适合部署大规模阵列天线，无法支持Massive MIMO, 波束赋形、波束跟踪等新技术无法发挥作用，定位精度大打折扣，另一方面，限于支持5G定位的行业终端产品产业链不足，兼容性差。

总结上述室内定位技术的特征和适用场景，如下表所示：

室内定位技术特征与适用场景

上文中提到的定位技术一般是基于RSSI实现，虽能满足室内定位的需求，但由于RSSI的固有缺陷，其应用范围有限。在RSSI中，无线电信号的强度随着空间中的距离而变化，当信号远离信号源时信号强度会衰减。然而，信号强度并不能准确的反映出室内距离。室内的障碍物会干扰信号强度，这将导致RSSI的距离测算产生误差，如下图所示。

图1 RSSI误差示意图

在图1中，A点和B点均受到墙壁的干扰，这影响了A、B两点距离的测量精度，C点处于开阔空间内，其距离测量和定位相比A、B两点会更加精确。使用指纹识别方法能够有效的消除Wi-Fi定位的误差，但是数据采集量大且随着物理布局的变化也需要更新相应数据库，工作量大且成本耗费高。

（2）基于UWB的室内定位

基于UWB的室内定位技术定位精度高、安全性高，在基站覆盖范围内均可实现精准的室内定位、追踪和导航。且其系统组成简单，只需基站和标签即可实现，高度契合城轨交通场景特征和业务需求，有着广阔的应用前景。

UWB（Ultra Wide Band, 超宽带）是一种无线载波通信技术，其频率范围在3.1 GHz ~ 10.6 GHz，最低信号带宽为500 MHz。与其他无线电技术不同，UWB不使用幅度或频率调制来编码其信号传输的信息，而是采用窄脉冲序列进行编码。使用窄脉冲序列编码使得UWB信号具有较低的功率谱密度，起到了类似扩频的效果，抗干扰能力大幅度提高，如图2所示。

图2 UWB与其他定位频谱

同时，使用窄脉冲信号编码让UWB定位能够很好的避免多径效应。这是因为窄脉冲信号时域狭窄且边缘清晰，接收端能够清晰的分离径向分量和反射分量，避免反射分量造成的误差，如图3所示。其中，左图为蓝牙、Wi-Fi及RFID等窄带信号的波形，右图为UWB信号波形；从图中可得知窄带信号为连续信号，这一类信号由于连续性导致接收端难以区分径向分量和反射分量，其在室内的定位误差较大。而UWB的窄脉冲信号在时域上狭窄，能够清晰的分离出径向分量和反射分量。

图3 窄带信号与UWB（超宽带）

UWB的定位算法根据需求不同有多种选择，常见的UWB定位算法由TWR（Two-way Ranging，双向测距方法）、TDoA（Time Difference Of Arrival，到达时间差法）和PDoA（Phase Difference of Arrival，相位到达差法）。其中，TDoA主要用于室内定位。

TDoA会在区域内部署多个实现时间紧密同步的基站，当定位标签进入区域后，会辐射发送信标信号，当基站接收到信标信号后，首先基于标记时间戳，而后多个基站的时间戳将转发至服务器，服务器根据每个基站的信标信号计算到达时间差ToF（Time of Flight, 飞行时间），并获取标签的实时位置，如图4所示。

图4 TDoA技术原理

综上所述，基于UWB的室内定位技术拥有抗多径能力强、定位精度高、兼容性强、能效高等优点，高度契合城轨交通场景特征和业务需求，有着广阔的应用前景。