UWB定位系统，看这一篇就够了！

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2022-06-29 14:28:12 1

位置信息是人类活动中的基础信息之一，人类的生产、生活离不开各种尺度表达的位置，如国家、城市、街道、建筑、房间等等。各种位置信息处理首先要解决的就是定位问题，这一问题困扰了人类几千年，直到GPS系统出现才得到解决。

随着GPS系统以及相关的电子地图、高性能CPU、大容量存储器、彩色液晶等技术的成熟，卫星导航可以做到在10米的尺度上进行定位，人类随时可以知道自己身处何方，抛弃纸质地图，再也不会迷路。

随着GPS等各种卫星定位系统使用日渐成熟，其固有缺陷也逐渐显露，这其中最受到诟病的，就是定位精度和室内应用问题。

定位精度差：卫星定位的动态精度很高，两辆车间隔2米并排行驶，轨迹是两条相距2米的平行线绝不会相交。但是如果车停下来，情况就完全不一样了，卫星定位静态的10米精度是一种90%的概率精度：观测100次，有90次位置落在真实位置为圆心、直径10米的圆内，剩余10次位置是不保证的。实测差300、500米是经常发生的事情，静止不动观测一天看到的是直径一公里的一团乱麻，个别点跑到几公里以外。

这就可以很好解释，为什么卫星定位在汽车导航领域发展迅猛，而在找人寻物等目标几乎不动的应用中几乎全军覆没。

不能室内定位：GPS信号从几万公里高的卫星发射下来，到达地面已经非常微弱很难穿透地面建筑，因而卫星定位不能用于室内，这是卫星定位系统的另一大短板。在室外定位已经获得成熟应用的情况下，人们更是迫切希望能够解决室内定位问题，毕竟在现代社会，人类80%以上的活动都是在室内进行的。

以上两个短板决定了，卫星定位发展30年，只催生了一个硕果仅存的汽车导航应用，手机导航得以普及靠的是手机基站、WiFi等各种定位方式的辅助、融合，儿童手表则是靠着打电话勉强存活下来。

高精度、室内定位问题，就这么迫切地摆到了位置服务工程师们的面前，每一个位置服务行业工程师，都感觉到了肩上沉甸甸的使命。

随着UWB超宽带技术的出现及芯片价格不断下降，工程师们眼中，看到了一丝曙光，构建一个类似GPS/北斗、室内室外都可以定位、精度达到厘米级的高精度定位系统，终于可以提上议事日程了！

构建HPGPS

HPGPS，全称High Precision Ground Position System，高精度地面定位系统，是在地面上布设的一个三维高精度定位系统，其工作原理与GPS类似，只不过把卫星从天上搬到了地面，并使用UWB技术进行三维高精度定位。

HPGPS的拓扑结构如下图所示：

HPGPS由布放在地面上的锚点（基站）构成，基站按按蜂窝状布放其中副基站布放在地面，主基站布放在空中（树上、楼上、电线杆上）6个基站构成一个蜂窝小区，对该小区内的标签提供定位服务。

HPGPS需要解决的几个重大问题

一、TDOA定位方式及其优越性

目前实际运行的UWB系统，大都采用TOA定位，这种方式测量的是真实的物理距离，一般需要来回测量两次甚至多次才能得到真实的距离，标签和基站都必须既要发射又要接收，一来耗电大大增加，同时由于双向发射接收，为了防止信号碰撞就要严格限制标签数目。TOA定位既耗电标签容量也有限，因此它的科研、实验室意义远大于实用意义，一般仅用于用户数量有限的工业应用。

另外一种UWB定位方式是TDOA，它是通过测量标签与几个基站的距离差来解算标签位置的。根据信号流向，TDOA又可分为上行TDOA和下行TDOA两种方式。

上行TDOA：标签发射信号，周围的基站接收、汇总后，将时间戳信息交给定位引擎算出标签到几个基站的信号到达时间差，进而算出标签的位置。

上行TDOA标签只发射不接收，位置解算在基站或平台进行，标签不需要关心自己的位置，发射完成后标签立即进入休眠省电状态，最大限度节约电量，这种方式下一个纽扣电池可以轻松工作数年。

由于标签之间没有同步只能随机发射，标签信号会发生碰撞，因此上行TDOA的标签数目也是受限的。

UWB上行TDOA系统中，标签不知道自己的位置而云端知道，是位置服务中典型的监控应用，标签一次发射即可定位，功耗极低可以用纽扣电池工作，解决了卫星定位一直未能解决的功耗问题，缺点是容量有限，多用于仓储管理、人员管理、门禁管理等场合，可以通过分区、分片的方式复用信道，增加标签容量。

下行TDOA：下行TDOA信号从基站发出，标签只做单向接收，这种方式工作原理与GPS几乎一模一样，故我们也将这种方式称为“准GPS”方式。

这种工作方式下，基站以设定的顺序、间隔广播自己的信息，包括日期、时间、坐标、配置、健康状态等，标签收到若干基站的信息并联合解算，就可以算出自己的位置信息。由于基站只是单向广播，基站的耗电也比TOA方式要低的多。

这种方式实际上就是地面版的GPS，标签解算出自己位置后可进一步用于导航等应用，也可以像现有的GPS系统一样，通过通信链路将位置信息送到远程监控中心，实现上行TDOA一样的监控功能，由于是基站单向广播，下行TDOA的突出优点是标签容量可以做到无限大，是位置服务中典型的导航应用。

标签要接收UWB信息还要解算位置，因此耗电远大于上行TDOA而与现有GPS持平，这种方式如果要做监控还需要通信链路将算出的位置信息发送至远端。下行TDOA最典型的应用就是手机导航，以及各种学生卡、老人卡、员工卡应用，这些卡一来都配备了可以待机几天的可充电锂电池，还基本都内置了4G通信模块用于传输位置信息。

总的来说，上行TDOA标签可以实现纽扣电池供电，下行TDOA可以做到标签容量无限大，这两点TOA都无法做到，同时，TDOA一侧只发射另一侧只接收的信号流向使得整个系统结构及工程实施变得异常简单，因此UWB未来的发展方向一定是TDOA，尤其是用户数不受限制的准GPS模式的下行TDOA。

TDOA上述优点是将观测参数由实际的距离转化为距离差得到的，在TOA方式下，3个基站可以得到3个不相关的观测值就可以进行2维定位，而TDOA两两相减得到的距离差只能得到2个不相关的观测值，因此同样维度定位TDOA需要多布一个基站才能实现，在基站成本数万元一个的时候这是一个非常不利的劣势；另外，距离差使得位置解算变得复杂，距离差比实际距离要小而且与实际距离的相关性被抵消，因而距离分辨力相应变差同时更容易受到噪声影响。很长时间以来，基站成本、TDOA算法成为制约TDOA大规模实施的关键因素。

二、TDOA算法

由于测量过程都会引入噪声，会导致位置解算出现偏离甚至无解的情况，比如对隧道里相距10米的A、B两个基站连线上的标签进行一维TOA定位，由于噪声的影响，测得标签距A端6米B端5米，符合这个结果的点实际上是不存在的，实际位置在距离A端5-6米区间中是最合理的，此时需要引入数理统计方法，按照一定的估值逻辑及噪声模型，选（估）一个最合理（概率最大）的值比如距离A端5.5米作为最终结果，这个结果与真实位置的误差最大也就是0.5米。

TOA方式下观测值就是真实的物理距离，观测量与实际值是完全相关的，相隔很远的点对应的测距结果也一定会差别很大，由于噪声一般比信号要小很多，叠加噪声以后的测距值解算出的待选位置区间与真实位置不会偏离太远，比如上例待选区间不过1米。这意味着TOA的解算结果受噪声影响不大，估值精度容易保证，这也是目前大多数UWB系统都采用了TOA定位的原因之一。

TDOA定位面临的情况要恶劣的多，TDOA测量的是标签与几个基站的距离差，比起距离来差值往往会变小而且与实际的距离不再相关，物理上相距很远的几个点，他们与基站的距离差却有可能非常接近，反过来说，叠加噪声以后的观测结果，解算以后会发现貌似合理的若干待选点，却东一个西一个差了十万八千里，那到底该选（估）哪个点呢？

因此TDOA算法存在很大的估值风险，增加估值准确性成了TDOA算法的核心目标，不同的噪声统计模型及估值逻辑，估值的准确程度存在天壤之别，算法不好最终表现结果就是漂移、突跳。

除了在算法上下功夫以外，还可以通过增加物理约束缩小待选估值区间，最简单的例子就是标签前一秒还在30米的位置，下一秒绝不可能跑到100米以外的位置。更高级的物理约束可以引入陀螺仪，将TDOA运算给出的几个待选点与陀螺仪运行轨迹进行比对，陀螺仪的物理特性决定了一方面它不可能偏的太远，另一方面它也不可能一点都不偏，那么最接近陀螺仪轨迹的待选位置就应该是真实位置。除了提高精度，陀螺仪的轨迹是连续的，可用于在UWB定位间隔期间提供位置插值，插值的相对精度可以达到毫米级。这些物理约束最终都将变成算法的一部分。

目前已经发展出若干TDOA算法，对各种环境噪声模型的研究也在进行中，某些优秀算法实测效果已经与TOA不相上下，随着TDOA应用需求增强，对TDOA算法的研究炙手可热，各种更先进的算法不断涌现，对算力、内存等等指标需求不断优化，TDOA大规模推广应用最大的障碍已经不复存在。

三、基站的时间同步

不论是上行或下行TDOA，为了测量各基站之间的时间差值，所有基站必须有一个统一的时间基准或称时间同步。对上行TDOA来说，各接收基站同步以后，才能互相比对收到信号的时间戳算出时间差值；对下行TDOA，排队顺序广播信息的基站，其广播时刻相对基准时刻T0的延时必须是确定的，并将此信息插入到广播信息中，这样标签收到信息后，才能准确扣除延时，得到该基站信号相对基准时刻T0的到达时间，并进一步算出各基站之间的信号到达时间差用于解算位置。

光在1nS走过的距离是30厘米，为了达到10厘米的定位精度，基站时间同步的误差必须要小于nS级，而基站相互之间的距离达到了100米以上，基站之间仅仅无线电信号飞行时间就超过300nS，无线同步看起来难度不小。

为了便于外部进行时间同步，UWB芯片采用了对一个始终运行的循环计数器进行瞬间锁定捕获的方式得到时间戳，DW1000更是提供了硬件的同步输入引脚，可以直接将循环计数器拨零。早期的定位系统采用了拉线的方式，将各基站同步引脚连在一起，把所有基站的循环计数器一起拨零实现同步，此时要弥补拉线长度引起的额外时延，某些系统采用了光纤传送同步信号。有线同步是各种同步手段中精度最高的，但是由于要布线施工成本过高，很快便被各种无线同步方式取代。

各基站时间戳计数器都是以同样的频率循环计数，只要知道对方计数器的值或者说对方与自己的计数器差值（校准值）是多少，将此校准值扣除就能得到准确的信号到达时间即完成了同步。计数器拨零并不是必须的，EB1003芯片已经不再设置同步输入引脚，而其他误差诸如基站之间传输时间、固定延迟、天线延迟等等都是固定的可以预先测出并扣除。

因此无线同步需要建立通信链路传递计数器值，通信链路可以是WiFi、蓝牙，或者UWB自身；除了上面提到的绝对误差需要校准扣除，各基站计数器时钟源不同还存在钟差，同步后经过一段时间，计数器值又会逐渐错开，此时如果还用原来的校准值就会产生误差，因此每隔一段时间要重新同步一次以获得新的校准值。经过计算，采用20ppm晶振每500mS进行一次同步，即可将时间戳误差控制在30厘米以内。也就是说，外部通信链路只要不超过0.5秒传递一次计数器值就能维持两边计数器同步误差小于30厘米，同步难度因循环计数器机制大大降低。

附带科普一下，GPS由于卫星高高在上，星间通信几乎不可能也就无法完成星间同步，所以GPS把昂贵的原子钟搬到了卫星上，绝对同步由地面控制完成对原子钟拨零，而后靠原子钟的极高精度，可以让卫星上各自独立的类似UWB时间戳计数器的计数值，保持数小时乃至数天都不会偏差太远，原子钟的精度越高，需要地面进行拨零同步的间隔就可以越长。

四、工程实施造价

前面三个问题研究目前均已得到比较理想的结果，构建地面大规模覆盖的UWB定位系统已不存在技术上的障碍。随着国产芯片登场，UWB芯片价格降到10元以下，基站、标签成本大幅度下降，阻碍UWB大规模应用的最后一个门槛--过高的工程造价，也将不复存在，因此，构建服务全社会、室内室外通吃、高精度位置服务基础设施HPGPS，已到了提上议事日程的时候了。

HPGPS的工作原理

HPGPS工作模式就是前面提到的 “准GPS” 模式，其原理与GPS完全一样，遍布地面的UWB基站，按一定顺序、间隔不断广播自己的基站信息，信息内包含了基站日期、时间、经纬度、高程、同步修正值等信息，标签接收周围几个基站广播的信息，并根据收到的信息内容、信息到达时间，即可解算出自己的坐标。

标签将以UWB定位模块方式提供，甚至连通信协议也将使用GPS模块中广泛采用的NMEA-0183以兼容现有的卫星定位系统，只是经纬度数据将精确到小数点后面5-8位，现在的各种GPS定位设备可以把UWB定位模块当作GPS定位模块直接代换使用。

HPGPS的战略意义

HPGPS系统构建完成后，标签只需简单地接收基站信号，即可以解算出自己的绝对经纬度及高程，精度达到厘米级，同时应用于室外、室内，HPGPS将在厘米级尺度上实现整个社会位置信息的电子化，并通过UWB标签完成机读识别。

厘米级的位置信息将成为最重要的社会公共基础服务设施之一，各种基于高精度位置的应用将会源源不断被开发出来，一个新的时代，就此拉开帷幕。

HPGPS的建立

万事开头难，HPGPS听起来非常美好但是如何起步却是每个人都关心的问题。

得益于国产芯片的支持，UWB用户端成本可望降到与现有GPS、2.4G等系统持平的程度，基站成本可望降到百元水平，构建HPGPS最后一个实施成本的障碍已被破解，受此消息鼓励，目前已经有若干重要客户一起发力开始行动，成规模成建制开始布设、构建自己的HPGPS实验小区，UWB将改写它在人们心目中高成本、高门槛、黑科技的冷傲形象，取而代之的是一个服务于全社会、为人们带来全新体验的巨大、增量蓝海市场。

随着HPGPS各实验小区试运营的启动，相信会有越来越多的企业、行业加入HPGPS阵营，各种UWB应用将转移到统一的公共HPGPS平台开展，位置服务行业将在HPGPS平台上，奏响崭新华章。

HPGPS的重要客户

手机导航

HPGPS将终结目前手机公司对UWB雾里看花的局面。

HPGPS未建立之前，手机UWB始终解决不了装了给谁用的问题，苹果给出了以手机为中心对Airtag进行定位的极坐标系答案，事实证明这是一个十分无奈的鸡肋方案：首先这种方案实在找不出痛点应用，现在成了一个高级玩具；其次这种方案需要两个梳指天线测量角度，面积大且精度要求很高，塞进空间极其有限的手机里难度极高，以至于目前除了苹果没有第二家公司能够量产出来。此外，这种工作方式因不具有普适性，软件、操作系统无法互联互通。

目前手机公司对UWB还是观望，主要原因一是回答不了UWB到底给谁用的问题，二来苹果的UWB方案其他手机公司并不认可。

HPGPS建立后，手机UWB只需一个普通的皮法天线或陶瓷天线即可进行定位，任何一个手机方案公司都可以轻松完成设计，HPGPS输出数据就是标准的GPS经纬度，安卓、IOS操作系统中GPS信息早已成为标配，且经纬度信息精度都支持到了小数点后面十几位，手机底层软件只需把UWB解算结果对接到操作系统的GPS接口，再安装一个百度、高德、谷歌的高精度地图软件，就能进行厘米级三维定位、导航，手机UWB导航、导游、导医、导购成为新热点，高达厘米级定位精度将打开一个无法想象的增量市场，困扰手机公司多年的UWB到底怎么进手机的问题有了明确答案就此尘埃落定。

学生卡、老人卡

这也是GPS时代位置服务存活下来却一直半死不活的一个行业，积累了庞大的客户群却因GPS短板一直都在进一退二的尴尬境地中挣扎，由于在认知、技术、客户等方面的优势，HPGPS将率先在这些行业攻城略地。

HPGPS将解决多年以来学生卡存在的诸多问题，达到学校、家长、学生、移动公司共赢的和谐局面，老人卡助力解决老人防走失、生病、跌倒等诸多社会问题。这些都是过亿的2C市场应用，更是UWB的拿手好戏，但是没有HPGPS实施起来困难重重。

物流、快递、外卖、送餐

由于没有高精度机读位置信息，快递业喊了20年的无人机送快递始终只能停留在纸上。

HPGPS解决了最重要的机读位置信息，且精度达到厘米级，所有环节的信息需求全部实现了机读自动完成，操作全部闭环，以“无人机送快递”为代表的物流业自动化最后一公里问题圆满解决，这将给各大快递、物流、外卖、送餐企业带来一场颠覆。

机器人

人类的各种自动机器智能化水平已经武装到牙齿，却同样苦于没有位置信息而举步维艰，HPGPS的建立将使这些自动机器睁开眼睛，机器全面替代人工劳动、服务将踏上一个新的台阶。

防疫抗疫

借助HPGPS室内室外全覆盖的高精度定功能，有望建立全新体系，常态化、智能化、自动化监控管理人员行程、密接、时空交错等问题，空间精度可以精确到厘米时间可以精确到秒，精准管理人员接触、大幅减小疫情对社会生活的影响。

除了对人员活动、接触的监控管理，有了HPGPS就可以启用各种无人机、无人车实施物资自动、精准发放，解决疫情情况下的物资保供难题。

写在最后

从2013年第一颗UWB单芯片DW1000问世到今天，UWB磕磕绊绊走过近10个年头，国内最早从事UWB应用的江苏唐恩科技更是从2006年就开始与Ubisense合作，并于2008年引入Ubisense的S7000系统，应用于军事训练、电力安全、离散制造、展览分析等多个领域，国内高精度室内定位应用就此萌芽、发展。然而时至今日，整个UWB行业还是没能走出监狱、电厂的2B小圈子模式。

随着UWB在公众中认知度增强，UWB初创公司如雨后春笋成立，这对整个行业是一个巨大的利好，然而UWB到底是怎么回事、UWB到底能做什么、UWB到底该在哪个方向发力却依然是众多创业者的困惑。UWB芯片价格高高在上成了整个行业挥之不去的痛，这把高悬的达摩克里斯剑不仅在精神上束缚了众多开拓者的想象力，也在现实中严重制约、阻碍了创业者的创造力，比如本文提到的HPGPS，在现有的生态下就是一个遥不可及的梦。

国产芯片的出现打破了这一僵局，位置服务业想做却又不能做、不敢做的各种天量应用现在都有了实施的可能，而构建统一的地面高精度位置服务基础设施，更是众多位置服务从业者心中最宏大的梦想。以前苦于没有技术，UWB出现后又望芯片兴叹，这一切都随着国产芯片的登场、背书迎刃而解，伴随几个重量级客户闻风而动联合起来迈出关键一脚，UWB芯片-用户-应用的良性互动已经破冰，HPGPS已经破土动工。随着HPGPS的不断完善，各种2C的UWB应用有了基础平台，UWB应用已经开始迈入快车道。

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