隨著科學的發(fā)展與進步， GPS已經(jīng)可以在室外提供穩(wěn)定、精準的定位導航服務，但在室內或者有障礙物遮擋情況下，GPS因其信號穿透能力較差而無法實現(xiàn)精確的室內定位，因此室內定位成為定位導航領域里的“最后一公里”問題。
為解決室內定位這一難題，國內外研究人員嘗試了WLAN技術、射頻識別技術（RFID）、藍牙技術、ZigBee技術等，根據(jù)不同場景需求這些技術已經(jīng)開始廣泛應用，今天我們針對超寬帶uwb技術進行介紹。
何為超寬帶技術？
超寬帶技術（UWB，Ultra Wide Band）技術是一種新型的無線通信技術。它通過對具有很陡上升和下降時間的沖激脈沖進行直接調制，使信號具有GHz量級的帶寬。
超寬帶技術解決了困擾傳統(tǒng)無線技術多年的有關傳播方面的重大難題，它具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點。
超寬帶（UWB）在早期被用來應用在近距離高速數(shù)據(jù)傳輸，近年來國外開始利用其亞納秒級超窄脈沖來做近距離精確室內定位。
超寬帶定位有哪幾種常用的算法？
1、RSS法
超寬帶定位在使用RSS算法的時候可以通過測量節(jié)點間的能量來估計目標與接收機之間的距離，由于接收信號的強度與傳播的距離成反比，因此，距離的估算可以通過發(fā)射信號的強度和接收信號的強度利用衰減模型繁衍得到。超寬帶定位的這種算法操作簡單，而且成本也很低，但是在計算時需要考慮多徑衰弱和陰影效應的影響。
2、AOA法
AOA算法能測量未知點和參考點之間的角度并計算目標的位置。超寬帶定位系統(tǒng)通過多個基站測量從定位目標最先到達接收機的信號的到達角度，從而估計出定位目標的位置。如果區(qū)域內的障礙物比較少，則可以利用AOA算法獲得較高的定位精度，但是如果定位區(qū)域內的障礙物比較多，那么就要考慮多徑效應的影響。
3、TOA/TDOA法
當超寬帶定位使用AOA方法來計算時，由于多路徑效應和接收機天線的限制，往往需要較多的傳感器同時工作，這樣會增加系統(tǒng)的應用成本。而利用TOA/TDOA聯(lián)合定位算法，可以減少同時工作的傳感器數(shù)量，并且獲得待定位目標的三維坐標。
TOA即“到達時間”，這種方式定位是通過Anchor和Tag之間的多次通信實現(xiàn)的，如下圖：
1、Anchor首先發(fā)給Tag一個包，同時記錄下Anchor當前的時間信息，記為T1。
2、Tag收到基站的信息，返回一個ACK。
3、 Anchor收到Tag的ACK，記錄當前的時間信息，記為T2。
4、Anchor計算時間差Tr = T2 - T1，并且根據(jù)此計算出距離。
d = c * Tr / 2 其中c為光速。
當然，實際應用中為了更加靠譜，往往不僅僅是利用兩次通信來測距，還會有更加復雜的多次通信來提高精度。
對于空間定位，只需要利用SX（球面相交法）便可以得出最后的坐標。
可見，為了一次定位，每個Anchor和Tag之間要進行兩次通信，故又將這種定位方式稱為“Two-way-ranging”。這種定位的優(yōu)勢在于其實現(xiàn)的便捷性和對硬件的寬容，只需要有幾個擺放在不同位置的Anchor和一個Tag便可進行定位，而缺點嘛。。。首先自然是定位速度了，其次，由于每次通信的質量無法保證，而一對Anchor/Tag又無法做自我的校準，精度自然也會受到影響。
TODA即“到達時間差”，這種方式的一次測距是由兩個Anchor和一個Tag實現(xiàn)的。在這種模式下，多個時鐘完全同步的Anchor同時接受來自一個Tag的包，對于不同位置的Anchor，同一個Tag的同一次廣播包到達的時間是不同的，所以便有有以下算法：
1、Tag發(fā)出一個廣播包。
2、 兩個Anchor接收到同一個包，Anchor1接收到的時間為T1，Anchor2接收到的時間為T1。
3、計算時間差Td = T2 - T1。
4、 對于至少四個Anchor，可以得到三組這樣的兩兩之間的信息。
5、通過數(shù)學方法（multi-lateration）可以解算出Tag的空間坐標。
由于算法比較復雜，這里不再贅述。由此可見，TDOA的優(yōu)勢首先在于一次定位的通信次數(shù)顯著減少，其次由于是用時間差而非絕對時間進行測距，其精度也比TOA高出一些。但優(yōu)勢總是以一些代價換來的，TDOA系統(tǒng)中各個Anchor的時鐘必須嚴格同步，由于這種定位本質上是依賴于光速的，所以1ns的固有時鐘誤差便可以造成30cm的固有距離誤差，這一點顯然是不可接受的。而要打造一個間距比較大的精確同步系統(tǒng)成本又是比較高昂的。
和其他定位技術對比
1、Wi-Fi技術
通過無線接入點（包括無線路由器）組成的無線局域網(wǎng)絡（WLAN），可以實現(xiàn)復雜環(huán)境中的定位、監(jiān)測和追蹤任務。它以網(wǎng)絡節(jié)點（無線接入點）的位置信息為基礎和前提，采用經(jīng)驗測試和信號傳播模型相結合的方式，對已接入的移動設備進行位置定位，最高精確度大約在1米至20米之間。如果定位測算僅基于當前連接的Wi-Fi接入點，而不是參照周邊Wi-Fi的信號強度合成圖，則Wi-Fi定位就很容易存在誤差（例如：定位樓層錯誤）。
另外，Wi-Fi接入點通常都只能覆蓋半徑90米左右的區(qū)域，而且很容易受到其他信號的干擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高。
2、藍牙技術
藍牙通訊是一種短距離低功耗的無線傳輸技術，在室內安裝適當?shù)乃{牙局域網(wǎng)接入點后，將網(wǎng)絡配置成基于多用戶的基礎網(wǎng)絡連接模式，并保證藍牙局域網(wǎng)接入點始終是這個微網(wǎng)絡的主設備。這樣通過檢測信號強度就可以獲得用戶的位置信息。
藍牙定位主要應用于小范圍定位，例如：單層大廳或倉庫。對于持有集成了藍牙功能移動終端設備，只要設備的藍牙功能開啟，藍牙室內定位系統(tǒng)就能夠對其進行位置判斷。
不過，對于復雜的空間環(huán)境，藍牙定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號干擾大。
3、紅外線技術
紅外線技術室內定位是通過安裝在室內的傳感器接收各移動設備（紅外線IR標識）發(fā)射調制的紅外射線進行定位，具有相對較高的室內定位精度。
但是，由于光線不能穿過障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播，容易受其他燈光干擾，并且紅外線的傳輸距離較短，使其室內定位的效果很差。當移動設備放置在口袋里或者被墻壁遮擋時，就不能正常工作，需要在每個房間、走廊安裝接收天線，導致總體造價較高。
4、超寬帶UWB技術
超寬帶技術與傳統(tǒng)通信技術的定位方法有較大差異，它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，可用于室內精確定位，例如：戰(zhàn)場士兵的位置發(fā)現(xiàn)、機器人運動跟蹤等。
超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復雜度低、能夠提高精確定位精度等優(yōu)點，通常用于室內移動物體的定位跟蹤或導航。
5、RFID技術
RFID定位技術利用射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)移動設備識別和定位的目的。它可以在幾毫秒內得到厘米級定位精度的信息，且傳輸范圍大、成本較低;不過，由于以下問題未能解決，以RFID定位技術的適用范圍受到局限。
1）RFID不便于整合到移動設備之中
2）作用距離短（一般最長為幾十米）
3）用戶的安全隱私保護
4）國際標準化
6、超聲波技術
超聲波定位主要采用反射式測距（發(fā)射超聲波并接收由被測物產(chǎn)生的回波后，根據(jù)回波與發(fā)射波的時間差計算出兩者之間的距離），并通過三角定位等算法確定物體的位置。
超聲波定位整體定位精度較高、系統(tǒng)結構簡單，但容易受多徑效應和非視距傳播的影響，降低定位精度;同時，它還需要大量的底層硬件設施投資，總體成本較高。