□何贵斌中国电子科技集团公司第二十
研究所
【摘要】本文介绍了超宽带导航的概念及超宽带导航信号的特点，对国内外研究情况 水台做了介绍，给出了超宽带导航的研究重点，提出了超宽带导航的应用。
【关键词】超宽带导航导航
战
1概述
1.1超宽带导航的概念
超宽带导航是指以超宽带（Ultra Wide Band，简写为UWB）通信技术为基础，利用超宽带无线电信号实现高精度导航定位。超宽带导航信号是利用脉冲冲击调制，形成扩频宽带信号进行信息传输，它在完成隐蔽信息传输的同时，可以完成精密测距定位。 超宽带导航定位与雷达具有相似之处，但也有截然不同之处，雷达一般依靠单一的发送机/接收机，而超宽带导航则通过结合来自多个宽带发送源的信息来进行位置估计和定位。雷达通常选择干扰最小的位置来布置，而超宽带导航信号源位置则可能位于
恶劣的电磁传播环境中。超宽带导航
信号一般是码分多址的，而雷达一般
是单脉冲，可能受到窄带干扰的影响。
另外，雷达一般是只是测距，而超宽带
导航信号则兼顾完成信息传输和精密
定位双重功能，并且调制脉冲宽度在
纳秒量级，在信号形式和处理方法上
与雷达脉冲有很大区别。
1.2超宽带导航信号的定义
美国联邦通信委员会（FCC）发布
的超宽带（UWB）无线电信号的定义
中，定义了UWB信号的带宽应大于等
于500MHz，或其相对带宽大于20％，
其频段为3.1GHz～10.6GHz。这里相对
带宽定义为
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2）
式中，子p为时间常数，决定了单脉冲的形状；t是时间；P R（t）的频域表达式为：
10.6GHz，宽度高达7500MHz。同时，通过限制发射功率（EIRP不超过-41. 3dBm/MHz），UWB也避免了对其它系统造成干扰。这样的频谱使用方式，在频谱资源非常紧张的今天尤其具有重要的意义，
这也是UWB兴起的主要原因之一。
（2）传输速率高
UWB利用其超宽带的优势，数据传输速率可达1Gbps以上。传统的无线通信系统，因为频带较窄，要实现100Mbps以上的高传输速率，必须采用高阶调制等方法达到较高的频谱使用效率（bits/s/Hz）。这就对信噪比提出了很高的要求，同时提高了系统的复杂性。而UWB系统的频带很宽，即使传输速率高达1Gbps以上时，所需信噪比仍然不高，这使得系统较为简单，实现了系统的降低成本和功耗。
（3）信号衰减较小，穿透力强
采用基带窄脉冲形式的UWB信号，与利用正弦载波携带信息的一般无线通信导航信号在空中的衰减特性不同。天线发射的正弦电磁波是一种球面波，在自由空间中的衰减与距离的平方成反比，在室内多径信道条件下，衰减与距离的3～4次方成反比。而具有适当波形的UWB瞬态脉冲具有较强的定向性，其衰减与距离成反比或更小。因此，在相同功率下，采用基带窄脉冲形式的UWB信号可比一般的调制载波的信号传输更远的距离。另外，由于基带窄脉冲中含有较多的低频分量，所以在室内传播时可顺利地穿过墙壁等一般的障碍物，为UWB技术在室内环境以及透视成像等领域的应用提供了便利。
（4）定位精度高
信号的定位精度与其带宽直接相关。UWB信号的带宽一般在500MHz以上，远远高出一般的无线通信信号，因此，其所能实现的定位精度也很高。基带窄脉冲形式的信号，因为其带宽通常在数GHz，所以其定位精度更是可以高达厘米量级。
（5）抗干扰性能强
UWB采用扩频跳频工作方式，这种
工作方式抗信号干扰的能力较强。在发射
时，将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔
真空装
的频带中，输出功率甚至低于普通设备产
生的噪声，接收时，将信号能量还原出来，
在解扩过程中产生扩频增益。因此，UWB
信号不易干扰别的设备，也不容易被别的
设备所干扰。
（6）传输可靠性高
多径衰落是无线通信导航的大障碍，
传统的无线电技术由于受到建筑物内部
和周围多径的困扰，难以对有多径干扰的
关闭起重装置
位置进行精确的跟踪，在建筑物很拥挤的
环境中很难分辨目标。UWB采用持续时
间极短的窄脉冲，其时间、空间分辨力都
很强，因此系统的多径分辨率极高，接收
机通过分集可以获得很强的抗衰落能力，
同时在进行测距、定位、跟踪时也能达到
更高的精度。另外，与相同速率的其它无
线电技术相比，UWB可达到极低的信号
占空比，超宽带导航信号可以使用多个脉
冲来传递一个符号，从而获得附加处理增
益，因此适合信息在复杂电磁环境下的高
速传输。
（7）安全性高
作为超宽带导航系统的物理层技术
具有天然的安全性能。由于UWB信号一
般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，
对一般的无线电导航通信系统，UWB信
号相当于白噪声信号。并且大多数情况
下，UWB信号的功率谱密度低于自然的
电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测
出来是一件非常困难的事。采用编码对脉
冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更
加困难。因此，将超宽导航信号应用于救
灾等特殊用途，具有很高的安全性。
（8）低功耗。
UWB的发射功率受到了严格的限
制，以频带宽度1500MHz的UWB系统为
例，按照FCC的要求，其发射功率应不超
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过-9.54dBm，所以UWB系统在信号发射上的功耗也很低。UWB导航设备可以使用小于1mW的发射功率，这样就大大延长了系统电源的工作时间。UWB技术的系统功耗也相当低，59～70mW就可以满足它的工作要求，功耗远低于目前的各种无线电导航通信设备。
梭式止回阀（9）工程简单，造价便宜
若UWB采用的是其传统的基带窄脉冲形式，则因为无需对载波进行调制和解调，在工程实现上，相比其它无线电技术要简单得多，可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上；同时，低功率的脉冲比起以前雷达和通信中的大功率脉冲，更容易产生，实现成本更低，因此，设备造价便宜，便于大规模推使用。
2超宽带导航国内外研究情况
2.1国外研究情况
超宽带技术可追溯到20世纪60年代，由于技术水平的限制，超宽带技术发展缓慢，早期超宽带技术研究主要应用于雷达和通信系统。到了90年代，由于技术的进步，超宽带技术的研究逐渐活跃起来。由于超宽带技术在定位应用上的卓越性能，国外的一些研究机构在90年代中期就开始了超宽带定位系统研制工作。美国在1991年，为解决战备后勤物资的定位问题，开始了NATVPAL定位系统的研制工作，随着技术的日趋成熟，发展成为后来的精确定位系统。
美国从20世纪90年代中期以来，研制了多种超宽带无线电通信、雷达、成像和高精度定位系统，超宽带无线电系统已经得到实际应用。已经开发了一种UWB 定位系统（PAL，Precision Asset Location），在L波段工作，瞬时带宽可以达到约400MHz。参考点使用高速隧道二级管检测器来进行UWB脉冲的边缘检测，从而
可以实现在多径环境中到第一个到达的脉冲信息，通过优化算法算出待测点坐标。待测点有一个短脉冲发射器，峰值输出功率约0.25W，数据包突发长度40bits，发送周期5s，发射器平均输出功率-79dB/MHz。该系统的试验已成功，它在大型集装箱货物环境下可以达到理想的定位精度，改进的PAL系统的商用化正在进行之中。此外，美国Aether Wire公司已经开发出最先进的芯片Aether5和Driver2，它是基于COMS和UWB频谱开发的，具有体积小、功耗低、穿透力强，不易被察觉和定位精度高等特点，现已广泛用于消防、反恐、救灾等重大领域。
2002年4月，美国联邦通信委员会（FCC）已制定了一系列协议，解决了超宽带频率管理等民用问题，促进和规范了民用UWB技术的发展。英国剑桥大学研制的超宽带实时定位系统已经用于英国Sell-afield核电站，为员工提供定位服务。美国TIME DOMAIN公司在2008年推出一系列超宽带定位新产品，已经得到实际应用。2.2国内研究情况
我国UWB的研发工作起步较晚，与国外业界巨头相比，投入非常少。我国民用UWB技术研究的正式开展始于2003年10月。同年，信息产业部下达UWB系统电磁兼容分析科学研究项目。2004年9月28日，在北京举办首届UWB中国论坛。民用UWB频率使用规定至今仍未出台。
在我国廖廖可数的UWB研究项目中，研究人员更是把主要精力集中在UWB 的短距高速应用上，针对低速率应用的工作非常少，以2005年国家自然科学基金资助的UWB通信相关项目为例，总共13个项
目，与低速率应用有关的仅一项。而国内对基础性的频段规划仍未开展研究和规范，用于超宽带导航信号的基础研究，鲜有报道。
3超宽带导航信号研究重点
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超宽带导航信号作为一种新的导航技术，我国与国外相比，还有很多差距，需要在很多方面需要开展基础研究，研究的重点在以下方面：
3.1超宽带导航信号总体技术
确定我国民用超宽带导航信号的总体技术规范，包括频段划分、功率等级划分、导航定位规范、系统使用等多个方面。
一次性座套3.2超宽带导航定位算法
在超宽带导航定位中，利用超宽带信号的到达角（AOA），信号强度（SS）或者时延（TD）信息都可以用来进行定位。到达角是通过测量特点节点和一系列参考节点之间的角度来估计位置；信号强度和基于信号时延信息则分别通过测量接收信号的场强和传播时间来估计节点之间的距离。
到达角测量定位方法在UWB定位中不实用。在复杂环境中的反射将造成角度估计的困难，另外在到达角度测量中，要采用天线阵列会增加成本。信号强度测量定位则利用了无线电信号强度随距离衰减的关系，但采样纯粹的信号强度来定位，则没有用到UWB信号超大带宽的特性。基于时间的定位，可以根据测量到达时间（TOA）或者到达时间差（TDOA）来实现定位。基于时间测量的方法，可以通过提高信噪比或者有效信号带宽来提高精度。由于UWB信号具有超大带宽的特点，这就使得UWB可以
采用基于时间的技术来实现极其精确的定位估计。例如，利用一个带宽为1.5GHx的UWB接收脉冲，可以在SNR=0时获得误差在1英寸之内的定位精度。当然，要实现时间差定位，必须要求节点之间时间高度同步。到达时间比到达角测量实现成本低，并且在UWB信号经历散射条件时，到达时间测量比到达角测量效果更好。信号强度测量比到达时间测量更简单，但信号强度测量实现定位的精度要比到达时间测量差。因此，综合考虑，采样基于时间的方法，来实现定位
可达到更高精度，同时，也可辅助以信号
强度分析，以达到较好的定位结果。
由于超宽带导航的信号独特，因此，
与传统的导航定位处理算法相比有其独
特之处。超宽带导航需要在信号采样，同
步与多径处理，非视距定位等方面开展深
入研究。
3.3定位协议和路由算法
超宽带导航为了实现在较大范围内声波识别
的定位，需要通过网络来进行扩展。节能
有效的路由算法是超宽带通信导航网面
临的主要技术难题之一。虽然路由算法多
种多样，可以通过不同节点的信号强度等
信息完成路由功能，但当获得节点的位置
信息时，采用按需路由的、以地理位置辅
助路由（LAR）为基础的协议族，以便提高
效率。
3.4信号调制和多址接入技术
理想的超宽带导航信号应近似白噪
声，即功率谱密度应该为平坦的且幅度越
低越好，这样才不会对现有的窄带系统造
成明显的干扰。因此，需要研究如何通过
选择调制和多址接入方式的组合，以及设
计理想的伪随机序列来获得更好的功率
谱密度特性。
4超宽带导航信号的应用
超宽带导航信号不同于传统的任何
无线电导航系统，因此，超宽带导航技术
的出现，可以说是出现了一种崭新的、革
命性的无线电导航技术。在许多领域发挥
巨大的作用，它在以下方面对传统无线电
导航技术产生了显著提升。
（1）提高了导航定位的精度
得益于超宽带信号的高时间分辨率
（超宽带宽），采用超宽带导航信号的系
统，可以利用基于时间的方法获得很高的
定位精度。此外，测量到达时间技术比到
达角技术实现成本低，并且在超宽带信号
经历强散射条件时，到达时间技术比到达
角技术效果更好。同时，辅助以测量信号
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