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工业4.0时代之无线定位技术解析（1）作者：南京沃旭通讯科技有限公司无线定位的技术比较多，也是使用最为广泛，最典型的定位技术主要有全球导航卫星系统GNSS，Wi-Fi，BLE，UWB，ZigBee等，无线定位技术可以提供从数十米到厘米级的定位精度，可以根据应用进行选择。1、GNSS定位GNSS的全称是全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem），它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。国际GNSS系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统，如下图所示中国北斗卫星导航系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem-BDS）是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统。是继美国全球卫星定位系统（GlobalPositioningSystem-GPS）和俄罗斯全球卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20m，授时精度优于100ns。2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版1.0正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。2013年12月27日，北斗卫星导航系统正式提供区域服务一周年，正式发布了《北斗系统公开服务性能规范（1.0版）》和《北斗系统空间信号接口控制文件（2.0版）》两个系统文件。目前，北斗导航系统已经逐步在国内和东南亚推广。目前，GNSS定位系统是全球使用最为广泛的定位系统，直接影响到我们的日常生活和出行，这类系统主要是依赖于分布在太空中卫星为地面提供服务，其精度现在一般能达到5米以内，其差分系统精度可以达到毫米级别。但其系统也受到环境的一些影响，比如在楼的旁边定位精度受到影响，在室内是没有办法使用等。优点：使用简单，只需要终端有接收设备即可；成本低，现在一颗GNSS的模块最便宜可以到RMB20元以下；覆盖广，全球室外基本都可以定位；缺点：功耗高，对电池供电设备影响较大若后台管理的话就需要回传技术配合，若采用GPRS回传，功耗更大；无法在室内提供定位，在室外会受到环境的干扰；刷新频率不够高，在室外快速运动目标，难于做到高频率定位，比如足球运动训练。2、BLE定位BLE（BluetoothLowEnergy）是蓝牙协议的在一个子协议，也称为低功耗蓝牙。低能耗蓝牙(BLE)技术是低成本、短距离、可互操作的鲁棒性无线技术，工作在免许可的2.4GHzISM射频频段。它从一开始就设计为超低功耗(ULP)无线技术。它利用许多智能手段最大限度地降低功耗。低功耗蓝牙由诺基亚在2001年开始研发，其目的是为了发展一套相容于标准蓝牙，并且在功耗与制造价格上能进一步优化的标准。2004年Nokia发布了低功耗蓝牙标准，2006年以Wibree技术的品牌名称首度问世，2007年与蓝牙技术联盟蓝牙技术联盟达成协议，并入标准蓝牙并正式定名为低功耗蓝牙。它的工作范围最远至45米。2013年，苹果发布了基于蓝牙4.0低功耗协议（BLE）的iBeacon协议，主要针对零售业应用，引起广泛关注。随后，类似的技术平台此起彼伏出现：高通推出Gimble、三星推出Proximity、谷歌推出Eddystone，技术原理上均与iBeacon大同小异。蓝牙定位有两种模式可以选择，一种是终端定位的方式，终端可以测量其所在处的接收信号强度（RSSI），以此估算与信标间的距离。因此，只要终端附近有三个或以上信标，就可以用三边定位方法计算出终端的位置，最典型的是手机作为终端。另外一种定位方式通过后台定位，终端发送beacon信号，蓝牙网关将收到Beacon的信号强度或达到角度通过网络传输到后台服务器，服务器进行位置计算。对于大多数的蓝牙定位，基本上是采用信号强度定位，而信号强度取决于输出功率，和遮挡导致的多径效应，所以，采用信号强度的BLE定位，精度完全取决于部署的密度，按10米的间距部署，最高可以达到2米的精度。除采用信号强度的方法之外，还有采用AoA/AoD的方法，完全取决于天线的设计而达到的角度的精度，最高可以控制在米级精度。目前Broadcom，Marvell，高通等公司都宣称其BLE支持AoA/AoD的定位方法。除上面两种定位方法之外，BlueVision宣称基于TI的CC2640芯片时下了基于BLE的ToF功能，其定位精度可以达到1米。优势：功耗低，一般用电池供电的Beacon可以工作两年左右；终端多，所有的手机都支持BLE；成本低，BLE的Beacon最便宜可以到20元以内。不足：采用信号强度/RSSI定位的精度不够。3、IR-UWB定位UWB(UltraWideband)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。UWB调制采用脉冲宽度在ns级的快速上升和下降脉冲，脉冲覆盖的频谱从直流至GHz，不需常规窄带调制所需的RF频率变换，脉冲成型后可直接送至天线发射。脉冲峰峰时间间隔在10-100ps级。频谱形状可通过甚窄持续单脉冲形状和天线负载特征来调整。UWB信号在时间轴上是稀疏分布的，其功率谱密度相当低，RF可同时发射多个UWB信号。UWB信号类似于基带信号，可采用OOK，对映脉冲键控，脉冲振幅调制或脉位调制。UWB不同于把基带信号变换为无线射频(RF)的常规无线系统，可视为在RF上基带传播方案。脉冲无线电（IR-UWB）是传统的超宽带技术，它利用频带极宽的超短脉冲进行通信，通常又称为基带、无载波或脉冲系统。这种方案中，发射机产生基带窄脉冲序列，并通过脉冲位置调制(PPM)或脉冲幅度调制(PAM)等调制方式携带信息，基带窄脉冲序列通过跳时（TH）扩频码选择时隙后直接发送到空中，而无需对载波进行调制。TH-UWB方案与传统的无线通信技术相比，系统收发机结构简单，系统功耗小，成本低，具有良好的定位功能。但是无载波脉冲方案存在两个主要的缺点：存在严重的符号间干扰（ISI）和频谱利用率不高。UWB能准确分辨出多径，并且，其时钟精度非常高，达到纳秒级，在定位测距中，可以达到分米级的定位精度。UWB定位技术可以支持基于测距(ToF)的定位，达到时间差（TDoA）定位，到到角度（AoA）的定位方式，其定位精度比较高，可以根据应用场景对其精度进行优化，最高可以达到厘米级的定位精度。优点：不足：定位精度高，常规为30cm左右精度，最高可以达到厘米级精度；环境适应性好，不需要类似指纹技术一样，重新对环境校准，可以根据需要选择ToF，TDoA或AoA定位；容量高，根据模式的不同，可以实现无限容量的的定位，类似GPS，采用常规TDoA模式，在单区域也可以达到近4000Hz的定位频率；功耗低，标签的工作时间可以达到数月，甚至数年；缺点：成本较高，主要是因为普及程度不够。