在分析室內定位的相關技術之前，我們先來了解一下定位是怎么工作的。定位的核心技術其實是測距。給定空間中已知三點的具體坐標，和一個未知點到三點的距離，即可算出未知點的坐標。這通常叫做 三邊測量定位算法。

三邊測量定位的幾何理解非常簡單。

以三個已知點和距離作三個圓，他們交于同一個點，這個點的坐標就是測量點的坐標。然而這是一個理想情況，實際由于測量精度的限制，實際上他們通常 交不到一個點上 ，交出來的是一塊有面積的東西。這塊面積的大小就是定位精度。當然我們可以通過 更多組的測量 使得相交的面積進一步減小以提高精度。

在這樣簡單易行的算法的支持下，我們就將定位問題 轉化為了測直線距離問題，如何精確計算一個已知點到未知點的距離。GPS 的解決方案非常簡單粗暴。GPS 的本質是一個 授時系統，也就是告訴你衛星發出這個信號的時候是幾點幾分幾秒幾毫秒幾微秒。而從 GPS 到地面有一定距離，無線電波在空氣中以光速傳播，等傳到終端上是已經過去了幾微秒，所以我們只要乘上光速就能知道終端到這顆星的距離了。

一個要克服的問題是終端的時間并不一定很精確，但如果我們可以通過幾顆星之間 兩兩差值 來算出本地應該有的時間。通過十幾顆星一起授時進行修正，最后能很好將精度控制住。提高精度的方法也很粗暴，提高授時精度即可。

這樣的模型放在室內定位的時候會遇到什么問題呢？

• 1. 距離太短，時間難測
  

由于室內定位距離太短，要知道光速是 299,792,458 m/s，跑幾米的時間太短了，根本測不精準。所以如果想繼續通過授時的方法解決問題，無線電波通常是不靠譜的。當然也不是沒有解決方案，比如速度慢得多的聲波，一個解決方案就是超聲波定位，這個可以是主動等回波來測量，或者被動授時測量，但超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大，設計起來非常捉急。

• 2. 信號遮擋，波長難選

同樣無論用超聲還是無線電都會遇到這個問題。波長長了，能繞過障礙物，但接收很困難，畢竟手機上不能捆個大鍋蓋（繞過障礙物 = 繞過終端設備）。波長短了，信號很容易被遮擋，導致收不到信號。

現在的室內定位設備都是怎么工作的呢？

折中選擇一個頻率，使得不太容易被遮擋也比較好接收，這種選擇的話2.4GHz 或者 5GHz 的 Wi-Fi 或者藍牙信號就是可選的。這個頻率在一個合法的發射功率下距離不太大。這有一個好處：信號衰減很有規律，通過測量信號強度通常就可以估計出離發射源的距離了。

更重要的是 Wi-Fi 和藍牙都是手機上已經集成好的模塊，可以降低硬件部署成本。現在常見的 Wi-Fi 室內定位和 iBeacons 也是基于類似的原理。而基于 ZigBee 協議的定位選擇了距離更短功耗更低的****來獲得更精確的定位，其本質是類似的。

這樣的方法目前已經可以獲得室內幾米的定位精度，也就是說可用的地步了。那么現在還有什么問題要克服呢？

• 1. 多徑效應與測量精度

還是這個問題，信號可能在室內多次反射，這樣得到的信號其實是不能正確測距的。相比 GPS 幾乎和地面沒有遮擋物的條件，室內房屋結構復雜，移動的人、物品的擺放、墻壁、門都可能成為嚴重影響距離測量的因素。

當然如果像 ZigBee 這樣距離非常短的傳輸協議，其實受這種影響相對就會小一點，能提高精度。現在像 Google 試圖從算法上提高精度并取得了一定成果，所以這個問題并不太大。

• 2. 發射距離與部署成本

Wi-Fi 和藍牙發射距離很短意味著要 大量部署設備，要完成一個商場室內定位設備的部署其成本其實相當高。如果當前應用的場景還不是很豐富的情況下，商家很少會主動部署這樣的設備。雖然同樣是 Wi-Fi，不能再是單純覆蓋即可的思路，而是要每個點至少要能搜到四五個 Wi-Fi 信號，成本相當高。ZigBee 的話由于其傳輸距離短，部署的成本會更高。

室內定位現狀：

當前市場對定位的需求越來越多，所以衍生出各種各樣的定位技術，幵根據丌同定 位信號不同用途分成不同的定位系統。如利用衛星無線 RF 信號的 GPS、利用紅外和激光的光學定位、利用超聲和聲納的聲音定位、利用圖像處理和計算機視覺的視覺定位、利用陀螺原理的相對定位等等。 

其中，GPS 是目前應用最成功的定位技術，不過它也有一個很明顯的缺陷，就是在室內不能定位，而且一般民用的精度也不夠高（10m 左右），相對于室內定位的要求（1m 左右或更低）還有一段距離。目前室內無線定位技術的研究相對集中在基于 RF 信號，并結合各種無線網絢技術如 ZigBee，超寬帶(Ultra-Wide Band，UWB)，Wi-Fi，藍牙， 射頻識別(Radio-frequency Identification，RFID)等定位技術的研究。

超寬帶技術（UWB） 超寬帶技術是與傳統通信技術有極大差異的通信無線新技 術。它不需要使用傳統通信體制中的載波，而是通過發送和接收具有納秒或納秒級以下 的極窄脈沖來傳輸數據，從而具有 3.1~10.6GHz 量級的帶寬。

目前，包括美國，日本， 加拿大等在內的國家都在研究這項技術，在無線室內定位領域具有良好的前景。UWB 技術是一種傳輸速率高（最高可達 1000Mbps 以上），發射功率較低，穿透能力較強并且是基于極窄脈沖的無線技術，無載波。正是這些優點，使它在室內定位領域 得到了較為精確的結果。

超寬帶室內定位技術常采用 TDOA 演示測距定位算法，就是通 過信號到達的時間差，通過雙曲線交叉來定位的超寬帶系統包括產生、収射、接收、處 理極窄脈沖信號的無線電系統。而超寬帶室內定位系統則包括 UWB 接收器、UWB 參考標簽和主動UWB 標簽。

定位過程中由 UWB 接收器接收標簽發射的 UWB 信號，通過過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號，再通過中央處理單元進行測距定位計算分析。

室內布局很多****（Anchor），可以獲取標簽（Tag）跟各個****的距離，根據這些測量的距離就可以對標簽（Tag）進行定位，類似GPS原理。如果我們再融合慣性傳感器和恰當的算法，就可以獲取相對于****（Anchor）更精確的定位信息。

超寬帶可用于室內精確定位，例如戰場士兵的位置發現、機器人運動跟蹤等。超寬帶系統與傳統的窄帶系統相比，具有穿透力強、功耗低、抗干擾效果好、安全性高、系統復雜度低、能提供精確定位精度等優點。

因此，超寬帶技術可以應用于室內靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導航，且能提供十分精確的定位精度。定位精度：根據不同公司使用的技術手段或算法不同，精度可保持在0.1m~0.5m。

UWB具有以下特點

• 1 系統容量大

香農公式給出C=Blog2(1+S/N)可以看出，帶寬增加使信道容量的提高遠遠大于信號功率上升所帶來的效應，這一點也正是提出超寬帶技術的理論機理。超寬帶無線電系統用戶數量大大高于3G系統。

• 2 高速的數據傳輸

UWB系統使用上吉赫茲的超寬頻帶，根據香農信道容量公式，即使把發送信號功率密度控制得很低，也可以實現高的信息速率。一般情況下，其最大數據傳輸速度可以達到幾百兆比特每秒到吉比特每秒。

• 3 多徑分辨能力強

UWB由于其極高的工作頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率，窄脈沖的多徑信號在時間上不易重疊，很容易分離出多徑分量，所以能充分利用發射信號的能量。實驗表明，對常規無線電信號多徑衰落深達10～30dB的多徑環境，UWB信號的衰落最多不到5dB。

• 4 隱蔽性好

因為UWB的頻譜非常寬，能量密度非常低，因此信息傳輸安全性高。另一方面，由于能量密度低，UWB設備對于其他設備的干擾就非常低。

• 5 定位精確

沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，可在室內和地下進行精確定位，精度最高可達2厘米，一般精度在15厘米內。

• 6 抗干擾能力強

UWB擴頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發送每個比特所用的脈沖數。UWB的占空比一般為0.01～0.001，具有比其他擴頻系統高得多的處理增益，抗干擾能力強。一般來說，UWB抗干擾處理增益在50dB以上。

• 7 低成本和低功耗

UWB無線通信系統接收機沒有本振、功放、鎖相環(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、混頻器等，因而結構簡單，設備成本將很低。由于UWB信號無需載波，而是使用間歇的脈沖來發送數據，脈沖持續時間很短，一般在0.20～1.5ns之間，有很低的占空因數，所以它只需要很低的電源功率。一般UWB系統只需要50～70mW的電源，是藍牙技術的十分之一。

無線UWB技術最基本的工作原理是發送和接收脈沖間隔嚴格受控的高斯單周期超短時脈沖，超短時單周期脈沖決定了信號的帶寬很寬，接收機直接用一級前端交叉相關器就把脈沖序列轉換成基帶信號，省去了傳統通信設備中的中頻級，極大地降低了設備復雜性。

無線UWB技術采用脈沖位置調制PPM單周期脈沖來攜帶信息和信道編碼，一般工作脈寬0.1-1.5ns (1納秒= 一億分之一秒)，重復周期在25-1000ns。

典型高斯單周期脈沖的時域和頻域

實際通信中使用一長串的脈沖。圖3顯示了周期性重復的單脈沖的時域和頻域特性。頻譜中出現了強烈的能量尖峰，這是由于時域中信號重復的周期性造成了頻譜的離散化。這些尖峰將會對傳統無線電設備和信號構成干擾，而且這種十分規則的脈沖序列也沒有攜帶什么有用信息。改變時域的周期性可以減低這種尖峰，即采用脈沖位置調制PPM。　　

單周期脈沖序列的時、頻域特性

比如可以用每個脈沖出現位置超前或落后于標準時刻一個特定的時間δ來表示一個特定的信息。圖4是一個二進制信息調制的示例。

PPM調制的示意圖

圖中調制前脈沖的平均周期和調制量δ的數值都極小。因此調制后在接收端需要用匹配濾波技術才能正確接收，即用交叉相關器在達到零相位差的時候就可以檢測到這些調制信息，哪怕信號電平低于周圍噪聲電平。由圖還可見調制后降低了頻譜的尖峰幅度，之所以仍不夠十分平滑是因為時間位置偏移量不夠大，也不夠雜亂。

為了進一步平滑信號頻譜，可以讓重復時間的位置偏移量δ大小不一，變化隨機，同時也為了在共同的信道比如空中取得自己專用的信道，即實現通信系統的多址，可以對一個相對長的時間幀內的脈沖串按位置調制進行編碼，特別是采用偽隨機序列編碼。接收端只有用同樣的編碼序列才能正確接收和解碼。圖4顯示了偽隨機時間調制編碼后的脈沖序列的波形和頻譜。

圖中頻譜已經接近白噪聲頻譜，功率也小了許多，這就是偽隨機編碼產生的效果。適當地選擇碼組，保證組內各個碼字相互正交或接近正交，就可以實現碼分多址。

偽隨機時間調制編碼后的脈沖序列

基于無線UWB技術的系統采用相關接收技術，關鍵部件稱為相關器（correlator）。相關器用準備好的模板波形乘以接收到的射頻信號，再積分就得到一個直流輸出電壓。相乘和積分只發生在脈沖持續時間內，間歇期則沒有。

處理過程一般在不到1ns的時間內完成。相關器實質上是改進了的延遲探測器，模板波形匹配時，相關器的輸出結果量度了接收到的單周期脈沖和模板波形的相對時間位置差。不同位置七個脈沖經相關器后的波形****，750ns后的穩定波形是輸出結果。

值得注意的是，雖然UWB信號幾乎不對工作于同一頻率的無線設備造成干擾。但是所有帶內的無線電信號都是對UWB信號的干擾，無線UWB技術可以綜合運用偽隨機編碼和隨機脈沖位置調制以及相關解調技術來解決這一問題。