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一种基于UWB的地下管廊人员定位系统设计与实现

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一种基于UWB的地下管廊人员定位系统设计与实现

蒋金岩、马瑞莉、李刚、王庆涛、崔辽环、曹忠涛

北京市燃气集团有限责任公司

摘要：UWB高度精度定位技术是一项室内精确定位技术新革命，即无线超宽带技术，是一种G级无线通信传输技术。基于该技术构建的实时定位系统，能够在地下管廊环境中达到较高的定位精度，且具有良好的稳定性。通过现场实际测试，产品样机达到了20cm的定位精度，符合预期目标，进一步证明了系统的有效性。

关键词：关键词1；地下管廊2；无线超宽带3；人员定位

0引言

UWB技术是一项全新的，与传统通讯技术有极大差异的无线通讯新技术，即无线超宽带技术。它不需要使用传统的通讯体制中的载波，而是通过发送和接受具有纳秒或纳秒以下的极窄的脉冲来传输数据，从而具有3.1到10.6GHZ量级的带宽。其传输速率高，发射功率较低，穿透能力强，并且是基于极窄脉冲，无载波的技术，因这些优点，使其在室内定位领域能够实现超高精度定位。

本课题研发的地下管廊人员定位系统基于UWB技术，能提供精度高达15cm的室内定位效果，系统采用3.2GHz~4.8GHz的超高频技术，与同类产品相比，该系统具有部署简单，性能价格比高，精度高，标签位置稳定性好，信号抗干扰能力强，标签发射状态和频率可以动态更新等突出特点。是目前世界上最先进、定位精度最高的系统。

传统的无线定位系统使用Wi-Fi、蓝牙及ZigBee等技术，基于接收信号强度法（ReceivedSignalStrengthIndication,RSSI）来对标签位置进行粗略估计，定位精度低，且容易受到干扰，定位稳定性难以适应高精度无线定位应用的要求。基于UWB无线定位技术从根本上解决了这些问题，能够提供高精度，高稳定性的定位服务。

UWB无线定位技术，以其系统能够稳定精确的提供定位服务，可以应到包括地下管廊，仓储物流管理，工业自动化管理，企业人员管理，体育训练系统，危险环境安全监控，特殊人员管理，医疗保健系统等等行业。具体应用场景，例如:商超，学校，医院，体育场，公园，监狱，水电站……等等这样的工业，商业，公共服务业场景对于人员，车辆，设备等超高精度定位的需求，都能够满足。

同时超宽带定位技术也是物联网技术的重要组成部分。

1系统目标

1.1需求分析

管廊巡检施工环境恶劣艰苦，地质条件复杂，工种危险系数高，工作人员和设备繁多，且都密集的聚集于狭长的地下封闭环境，使管廊巡检企业面临巨大的管理困难，给人员设备的管理和生产安全带来了极大的压力和挑战，企业迫切的需要一套准确，稳定，高效的人员设备管理定位系统！

1.2系统目标

项目组优先从企业实际需求出发，研发出UWB管廊人员设备定位管理系统，此系统重点解决以下几种问题：

1）实时位置获取以及轨迹追踪；2）突发情况报警；3）灾后紧急搜救。

1.3系统内容

UWB高精度定位技术，通过在管廊内部设基站，然后给人员设备配备标签，实现厘米级的精确定位，能够实现人员设备的实时位置管理，移动路径追踪，危险区域侵入检测等功能，并将定位信息反馈到人员管理系统，方便企业管理。并且可以与视频监控、门禁系统联动，可以区域级联，自适应的实现0维、1维、2维的定位。

1.4系统效果

给企业管理人员和设备带来便捷，解决企业的众多管理难题，加强对工人和设备监管，减少意外发生，保障工人的安全，避免因意外给企业带来的经济损失。

2系统设计

2.1系统原理

UWB无线定位系统使用了先进的超宽带无线定位技术。通过精确的测量信号飞行的时间差，结合先进的位置算法，实现了管廊内高精度定位。基本原理由标签发射超宽带信号，每秒发射10次（频率可调），定位基站接收标签发来的标签识别号，记录到达时间，然后传给服务器进行同步处理，解析出到达时间差,最后把以上信号和其他一些验证信号例如信号强度、电池寿命等打包通过网络协议发送给服务器进行处理，就可以计算出标签（也就是需要被跟踪的人员或者物体）所处位置以及运动轨迹。每一个标签都有一个独一无二的识别号，所以系统知道每一个标签在每一个时刻的位置以及运动信息。系统布局图如下：

图1系统布局图

本方案现实应用场景为狭长的管廊内，从实际情况出发选择1维定位，基本原理图如下：

图2基本原理图

系统布线图如下：

图3系统布线图

2.2系统总体架构

2.2.1系统外部架构

本系统外部架构整体主要由定位硬件、网络连接、定位服务器和显示终端组成。本应用场景需要在狭长的管廊内实现高精度的1维定位，现场根据实际情况进行定位基站的布置，确保把整个管廊链接成一个无缝的定位网络，并且每个点都能实现高精度的定位。本系统外部架构整体如下图：