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在室内定位的应用效果（如定位精度等）却不尽人意。

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）主流室内定位技术调研

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。

应用案例

全图通位置网络有限公司和交控科技联合开发了一套基于UWB的室内定位服务平台，依托轨道交通运行控制系统国家工程研究中心试验平台，旨在开展城轨交通室内定位场景的测试、验证与演示，主要功能包括：

三维电子地图

构建国家工程研究中心的俯瞰布局图，并在界面提供包括地图缩放、切换俯视角、切换球体颜色、图层控制、地图指北方向等地图朝向功能。

室内精准定位

室内人员精准定位主要在三维地图上实时显示佩戴标签人员在室内的精准位置和活动情况。

室内导航

在电子地图上实现对国家工程研究中心各区域的分布及标签的定位，并提供出口导航。出口展示主要根据实际的二层出口的位置在三维地图上进行展示。

人员热力图

三维地图上能够根据定位区域内的人员数量生成热力分布图，以更好地掌握人员的活动范围。其中，区域内的人员需佩戴头戴式定位标签或手环定位标签。

依托科技部国家重点研发计划"超大城市轨道交通系统高效运输与安全服务关键技术"，由交控科技开发，集成UWB室内定位服务能力的智慧车站综合管控平台，将在北京首都机场线试点车站开展示范应用，为首都智慧地铁发展贡献力量。

供稿：交控研究院 马宗儒