前言：衛星定位的短板

位置信息是人類活動中的基礎信息之一，人類的生產、生活離不開各種尺度表達的位置，如國家、城市、街道、建筑、房間等等。各種位置信息處理首先要解決的就是定位問題，這一問題困擾了人類幾千年，直到GPS系統出現才得到解決。

隨著GPS系統以及相關的電子地圖、高性能CPU、大容量存儲器、彩色液晶等技術的成熟，衛星導航可以做到在10米的尺度上進行定位，人類隨時可以知道自己身處何方，拋棄紙質地圖，再也不會迷路。

隨著GPS等各種衛星定位系統使用日漸成熟，其固有缺陷也逐漸顯露，這其中最受到詬病的，就是定位精度和室內應用問題。

定位精度差：衛星定位的動態精度很高，兩輛車間隔2米并排行駛，軌跡是兩條相距2米的平行線絕不會相交。但是如果車停下來，情況就完全不一樣了，衛星定位靜態的10米精度是一種90%的概率精度：觀測100次，有90次位置落在真實位置為圓心、直徑10米的圓內，剩余10次位置是不保證的。實測差300、500米是經常發生的事情，靜止不動觀測一天看到的是直徑一公里的一團亂麻，個別點跑到幾公里以外。

這就可以很好解釋，為什么衛星定位在汽車導航領域發展迅猛，而在找人尋物等目標幾乎不動的應用中幾乎全軍覆沒。

不能室內定位：GPS信號從幾萬公里高的衛星發射下來，到達地面已經非常微弱很難穿透地面建筑，因而衛星定位不能用于室內，這是衛星定位系統的另一大短板。在室外定位已經獲得成熟應用的情況下，人們更是迫切希望能夠解決室內定位問題，畢竟在現代社會，人類80%以上的活動都是在室內進行的。

以上兩個短板決定了，衛星定位發展30年，只催生了一個碩果僅存的汽車導航應用，手機導航得以普及靠的是手機基站、WiFi等各種定位方式的輔助、融合，兒童手表則是靠著打電話勉強存活下來。

高精度、室內定位問題，就這么迫切地擺到了位置服務工程師們的面前，每一個位置服務行業工程師，都感覺到了肩上沉甸甸的使命。

隨著UWB超寬帶技術的出現及芯片價格不斷下降，工程師們眼中，看到了一絲曙光，構建一個類似GPS/北斗、室內室外都可以定位、精度達到厘米級的高精度定位系統，終于可以提上議事日程了！

構建HPGPS

HPGPS，全稱High Precision Ground Position System，高精度地面定位系統，是在地面上布設的一個三維高精度定位系統，其工作原理與GPS類似，只不過把衛星從天上搬到了地面，并使用UWB技術進行三維高精度定位。

HPGPS的拓撲結構如下圖所示：

HPGPS由布放在地面上的錨點（基站）構成，基站按按蜂窩狀布放其中副基站布放在地面，主基站布放在空中（樹上、樓上、電線桿上）6個基站構成一個蜂窩小區，對該小區內的標簽提供定位服務。

HPGPS需要解決的幾個重大問題

一、TDOA定位方式及其優越性

目前實際運行的UWB系統，大都采用TOA定位，這種方式測量的是真實的物理距離，一般需要來回測量兩次甚至多次才能得到真實的距離，標簽和基站都必須既要發射又要接收，一來耗電大大增加，同時由于雙向發射接收，為了防止信號碰撞就要嚴格限制標簽數目。TOA定位既耗電標簽容量也有限，因此它的科研、實驗室意義遠大于實用意義，一般僅用于用戶數量有限的工業應用。

另外一種UWB定位方式是TDOA，它是通過測量標簽與幾個基站的距離差來解算標簽位置的。根據信號流向，TDOA又可分為上行TDOA和下行TDOA兩種方式。

上行TDOA：標簽發射信號，周圍的基站接收、匯總后，將時間戳信息交給定位引擎算出標簽到幾個基站的信號到達時間差，進而算出標簽的位置。

上行TDOA標簽只發射不接收，位置解算在基站或平臺進行，標簽不需要關心自己的位置，發射完成后標簽立即進入休眠省電狀態，最大限度節約電量，這種方式下一個紐扣電池可以輕松工作數年。

由于標簽之間沒有同步只能隨機發射，標簽信號會發生碰撞，因此上行TDOA的標簽數目也是受限的。

UWB上行TDOA系統中，標簽不知道自己的位置而云端知道，是位置服務中典型的監控應用，標簽一次發射即可定位，功耗極低可以用紐扣電池工作，解決了衛星定位一直未能解決的功耗問題，缺點是容量有限，多用于倉儲管理、人員管理、門禁管理等場合，可以通過分區、分片的方式復用信道，增加標簽容量。

下行TDOA：下行TDOA信號從基站發出，標簽只做單向接收，這種方式工作原理與GPS幾乎一模一樣，故我們也將這種方式稱為“準GPS”方式。

這種工作方式下，基站以設定的順序、間隔廣播自己的信息，包括日期、時間、坐標、配置、健康狀態等，標簽收到若干基站的信息并聯合解算，就可以算出自己的位置信息。由于基站只是單向廣播，基站的耗電也比TOA方式要低的多。

這種方式實際上就是地面版的GPS，標簽解算出自己位置后可進一步用于導航等應用，也可以像現有的GPS系統一樣，通過通信鏈路將位置信息送到遠程監控中心，實現上行TDOA一樣的監控功能，由于是基站單向廣播，下行TDOA的突出優點是標簽容量可以做到無限大，是位置服務中典型的導航應用。

標簽要接收UWB信息還要解算位置，因此耗電遠大于上行TDOA而與現有GPS持平，這種方式如果要做監控還需要通信鏈路將算出的位置信息發送至遠端。下行TDOA最典型的應用就是手機導航，以及各種學生卡、老人卡、員工卡應用，這些卡一來都配備了可以待機幾天的可充電鋰電池，還基本都內置了4G通信模塊用于傳輸位置信息。

總的來說，上行TDOA標簽可以實現紐扣電池供電，下行TDOA可以做到標簽容量無限大，這兩點TOA都無法做到，同時，TDOA一側只發射另一側只接收的信號流向使得整個系統結構及工程實施變得異常簡單，因此UWB未來的發展方向一定是TDOA，尤其是用戶數不受限制的準GPS模式的下行TDOA。

TDOA上述優點是將觀測參數由實際的距離轉化為距離差得到的，在TOA方式下，3個基站可以得到3個不相關的觀測值就可以進行2維定位，而TDOA兩兩相減得到的距離差只能得到2個不相關的觀測值，因此同樣維度定位TDOA需要多布一個基站才能實現，在基站成本數萬元一個的時候這是一個非常不利的劣勢；另外，距離差使得位置解算變得復雜，距離差比實際距離要小而且與實際距離的相關性被抵消，因而距離分辨力相應變差同時更容易受到噪聲影響。很長時間以來，基站成本、TDOA算法成為制約TDOA大規模實施的關鍵因素。

二、TDOA算法

由于測量過程都會引入噪聲，會導致位置解算出現偏離甚至無解的情況，比如對隧道里相距10米的A、B兩個基站連線上的標簽進行一維TOA定位，由于噪聲的影響，測得標簽距A端6米B端5米，符合這個結果的點實際上是不存在的，實際位置在距離A端5-6米區間中是最合理的，此時需要引入數理統計方法，按照一定的估值邏輯及噪聲模型，選（估）一個最合理（概率最大）的值比如距離A端5.5米作為最終結果，這個結果與真實位置的誤差最大也就是0.5米。

TOA方式下觀測值就是真實的物理距離，觀測量與實際值是完全相關的，相隔很遠的點對應的測距結果也一定會差別很大，由于噪聲一般比信號要小很多，疊加噪聲以后的測距值解算出的待選位置區間與真實位置不會偏離太遠，比如上例待選區間不過1米。這意味著TOA的解算結果受噪聲影響不大，估值精度容易保證，這也是目前大多數UWB系統都采用了TOA定位的原因之一。

TDOA定位面臨的情況要惡劣的多，TDOA測量的是標簽與幾個基站的距離差，比起距離來差值往往會變小而且與實際的距離不再相關，物理上相距很遠的幾個點，他們與基站的距離差卻有可能非常接近，反過來說，疊加噪聲以后的觀測結果，解算以后會發現貌似合理的若干待選點，卻東一個西一個差了十萬八千里，那到底該選（估）哪個點呢？

因此TDOA算法存在很大的估值風險，增加估值準確性成了TDOA算法的核心目標，不同的噪聲統計模型及估值邏輯，估值的準確程度存在天壤之別，算法不好最終表現結果就是漂移、突跳。

除了在算法上下功夫以外，還可以通過增加物理約束縮小待選估值區間，最簡單的例子就是標簽前一秒還在30米的位置，下一秒絕不可能跑到100米以外的位置。更高級的物理約束可以引入陀螺儀，將TDOA運算給出的幾個待選點與陀螺儀運行軌跡進行比對，陀螺儀的物理特性決定了一方面它不可能偏的太遠，另一方面它也不可能一點都不偏，那么最接近陀螺儀軌跡的待選位置就應該是真實位置。除了提高精度，陀螺儀的軌跡是連續的，可用于在UWB定位間隔期間提供位置插值，插值的相對精度可以達到毫米級。這些物理約束最終都將變成算法的一部分。

目前已經發展出若干TDOA算法，對各種環境噪聲模型的研究也在進行中，某些優秀算法實測效果已經與TOA不相上下，隨著TDOA應用需求增強，對TDOA算法的研究炙手可熱，各種更先進的算法不斷涌現，對算力、內存等等指標需求不斷優化，TDOA大規模推廣應用最大的障礙已經不復存在。

三、基站的時間同步

不論是上行或下行TDOA，為了測量各基站之間的時間差值，所有基站必須有一個統一的時間基準或稱時間同步。對上行TDOA來說，各接收基站同步以后，才能互相比對收到信號的時間戳算出時間差值；對下行TDOA，排隊順序廣播信息的基站，其廣播時刻相對基準時刻T0的延時必須是確定的，并將此信息插入到廣播信息中，這樣標簽收到信息后，才能準確扣除延時，得到該基站信號相對基準時刻T0的到達時間，并進一步算出各基站之間的信號到達時間差用于解算位置。

光在1nS走過的距離是30厘米，為了達到10厘米的定位精度，基站時間同步的誤差必須要小于nS級，而基站相互之間的距離達到了100米以上，基站之間僅僅無線電信號飛行時間就超過300nS，無線同步看起來難度不小。

為了便于外部進行時間同步，UWB芯片采用了對一個始終運行的循環計數器進行瞬間鎖定捕獲的方式得到時間戳，DW1000更是提供了硬件的同步輸入引腳，可以直接將循環計數器撥零。早期的定位系統采用了拉線的方式，將各基站同步引腳連在一起，把所有基站的循環計數器一起撥零實現同步，此時要彌補拉線長度引起的額外時延，某些系統采用了光纖傳送同步信號。有線同步是各種同步手段中精度最高的，但是由于要布線施工成本過高，很快便被各種無線同步方式取代。

各基站時間戳計數器都是以同樣的頻率循環計數，只要知道對方計數器的值或者說對方與自己的計數器差值（校準值）是多少，將此校準值扣除就能得到準確的信號到達時間即完成了同步。計數器撥零并不是必須的，EB1003芯片已經不再設置同步輸入引腳，而其他誤差諸如基站之間傳輸時間、固定延遲、天線延遲等等都是固定的可以預先測出并扣除。

因此無線同步需要建立通信鏈路傳遞計數器值，通信鏈路可以是WiFi、藍牙，或者UWB自身；除了上面提到的絕對誤差需要校準扣除，各基站計數器時鐘源不同還存在鐘差，同步后經過一段時間，計數器值又會逐漸錯開，此時如果還用原來的校準值就會產生誤差，因此每隔一段時間要重新同步一次以獲得新的校準值。經過計算，采用20ppm晶振每500mS進行一次同步，即可將時間戳誤差控制在30厘米以內。也就是說，外部通信鏈路只要不超過0.5秒傳遞一次計數器值就能維持兩邊計數器同步誤差小于30厘米，同步難度因循環計數器機制大大降低。

附帶科普一下，GPS由于衛星高高在上，星間通信幾乎不可能也就無法完成星間同步，所以GPS把昂貴的原子鐘搬到了衛星上，絕對同步由地面控制完成對原子鐘撥零，而后靠原子鐘的極高精度，可以讓衛星上各自獨立的類似UWB時間戳計數器的計數值，保持數小時乃至數天都不會偏差太遠，原子鐘的精度越高，需要地面進行撥零同步的間隔就可以越長。

四、 工程實施造價

前面三個問題研究目前均已得到比較理想的結果，構建地面大規模覆蓋的UWB定位系統已不存在技術上的障礙。隨著國產芯片登場，UWB芯片價格降到10元以下，基站、標簽成本大幅度下降，阻礙UWB大規模應用的最后一個門檻--過高的工程造價，也將不復存在，因此，構建服務全社會、室內室外通吃、高精度位置服務基礎設施HPGPS，已到了提上議事日程的時候了。

HPGPS的工作原理

HPGPS工作模式就是前面提到的 “準GPS” 模式，其原理與GPS完全一樣，遍布地面的UWB基站，按一定順序、間隔不斷廣播自己的基站信息，信息內包含了基站日期、時間、經緯度、高程、同步修正值等信息，標簽接收周圍幾個基站廣播的信息，并根據收到的信息內容、信息到達時間，即可解算出自己的坐標。

標簽將以UWB定位模塊方式提供，甚至連通信協議也將使用GPS模塊中廣泛采用的NMEA-0183以兼容現有的衛星定位系統，只是經緯度數據將精確到小數點后面5-8位，現在的各種GPS定位設備可以把UWB定位模塊當作GPS定位模塊直接代換使用。

HPGPS的戰略意義

HPGPS系統構建完成后，標簽只需簡單地接收基站信號，即可以解算出自己的絕對經緯度及高程，精度達到厘米級，同時應用于室外、室內，HPGPS將在厘米級尺度上實現整個社會位置信息的電子化，并通過UWB標簽完成機讀識別。

厘米級的位置信息將成為最重要的社會公共基礎服務設施之一，各種基于高精度位置的應用將會源源不斷被開發出來，一個新的時代，就此拉開帷幕。

HPGPS的建立

萬事開頭難，HPGPS聽起來非常美好但是如何起步卻是每個人都關心的問題。

得益于國產芯片的支持，UWB用戶端成本可望降到與現有GPS、2.4G等系統持平的程度，基站成本可望降到百元水平，構建HPGPS最后一個實施成本的障礙已被破解，受此消息鼓勵，目前已經有若干重要客戶一起發力開始行動，成規模成建制開始布設、構建自己的HPGPS實驗小區，UWB將改寫它在人們心目中高成本、高門檻、黑科技的冷傲形象，取而代之的是一個服務于全社會、為人們帶來全新體驗的巨大、增量藍海市場。

隨著HPGPS各實驗小區試運營的啟動，相信會有越來越多的企業、行業加入HPGPS陣營，各種UWB應用將轉移到統一的公共HPGPS平臺開展，位置服務行業將在HPGPS平臺上，奏響嶄新華章。

HPGPS的重要客戶

手機導航

HPGPS將終結目前手機公司對UWB霧里看花的局面。

HPGPS未建立之前，手機UWB始終解決不了裝了給誰用的問題，蘋果給出了以手機為中心對Airtag進行定位的極坐標系答案，事實證明這是一個十分無奈的雞肋方案：首先這種方案實在找不出痛點應用，現在成了一個高級玩具；其次這種方案需要兩個梳指天線測量角度，面積大且精度要求很高，塞進空間極其有限的手機里難度極高，以至于目前除了蘋果沒有第二家公司能夠量產出來。此外，這種工作方式因不具有普適性，軟件、操作系統無法互聯互通。

目前手機公司對UWB還是觀望，主要原因一是回答不了UWB到底給誰用的問題，二來蘋果的UWB方案其他手機公司并不認可。

HPGPS建立后，手機UWB只需一個普通的皮法天線或陶瓷天線即可進行定位，任何一個手機方案公司都可以輕松完成設計，HPGPS輸出數據就是標準的GPS經緯度，安卓、IOS操作系統中GPS信息早已成為標配，且經緯度信息精度都支持到了小數點后面十幾位，手機底層軟件只需把UWB解算結果對接到操作系統的GPS接口，再安裝一個百度、高德、谷歌的高精度地圖軟件，就能進行厘米級三維定位、導航，手機UWB導航、導游、導醫、導購成為新熱點，高達厘米級定位精度將打開一個無法想象的增量市場，困擾手機公司多年的UWB到底怎么進手機的問題有了明確答案就此塵埃落定。

學生卡、老人卡

這也是GPS時代位置服務存活下來卻一直半死不活的一個行業，積累了龐大的客戶群卻因GPS短板一直都在進一退二的尷尬境地中掙扎，由于在認知、技術、客戶等方面的優勢，HPGPS將率先在這些行業攻城略地。

HPGPS將解決多年以來學生卡存在的諸多問題，達到學校、家長、學生、移動公司共贏的和諧局面，老人卡助力解決老人防走失、生病、跌倒等諸多社會問題。這些都是過億的2C市場應用，更是UWB的拿手好戲，但是沒有HPGPS實施起來困難重重。

物流、快遞、外賣、送餐

由于沒有高精度機讀位置信息，快遞業喊了20年的無人機送快遞始終只能停留在紙上。

HPGPS解決了最重要的機讀位置信息，且精度達到厘米級，所有環節的信息需求全部實現了機讀自動完成，操作全部閉環，以“無人機送快遞”為代表的物流業自動化最后一公里問題圓滿解決，這將給各大快遞、物流、外賣、送餐企業帶來一場顛覆。

機器人

人類的各種自動機器智能化水平已經武裝到牙齒，卻同樣苦于沒有位置信息而舉步維艱，HPGPS的建立將使這些自動機器睜開眼睛，機器全面替代人工勞動、服務將踏上一個新的臺階。

防疫抗疫

借助HPGPS室內室外全覆蓋的高精度定功能，有望建立全新體系，常態化、智能化、自動化監控管理人員行程、密接、時空交錯等問題，空間精度可以精確到厘米時間可以精確到秒，精準管理人員接觸、大幅減小疫情對社會生活的影響。

除了對人員活動、接觸的監控管理，有了HPGPS就可以啟用各種無人機、無人車實施物資自動、精準發放，解決疫情情況下的物資保供難題。

寫在最后

從2013年第一顆UWB單芯片DW1000問世到今天，UWB磕磕絆絆走過近10個年頭，國內最早從事UWB應用的江蘇唐恩科技更是從2006年就開始與Ubisense合作，并于2008年引入Ubisense的S7000系統，應用于軍事訓練、電力安全、離散制造、展覽分析等多個領域，國內高精度室內定位應用就此萌芽、發展。然而時至今日，整個UWB行業還是沒能走出監獄、電廠的2B小圈子模式。

隨著UWB在公眾中認知度增強，UWB初創公司如雨后春筍成立，這對整個行業是一個巨大的利好，然而UWB到底是怎么回事、UWB到底能做什么、UWB到底該在哪個方向發力卻依然是眾多創業者的困惑。UWB芯片價格高高在上成了整個行業揮之不去的痛，這把高懸的達摩克里斯劍不僅在精神上束縛了眾多開拓者的想象力，也在現實中嚴重制約、阻礙了創業者的創造力，比如本文提到的HPGPS，在現有的生態下就是一個遙不可及的夢。

國產芯片的出現打破了這一僵局，位置服務業想做卻又不能做、不敢做的各種天量應用現在都有了實施的可能，而構建統一的地面高精度位置服務基礎設施，更是眾多位置服務從業者心中最宏大的夢想。以前苦于沒有技術，UWB出現后又望芯片興嘆，這一切都隨著國產芯片的登場、背書迎刃而解，伴隨幾個重量級客戶聞風而動聯合起來邁出關鍵一腳，UWB芯片-用戶-應用的良性互動已經破冰，HPGPS已經破土動工。隨著HPGPS的不斷完善，各種2C的UWB應用有了基礎平臺，UWB應用已經開始邁入快車道。

審核編輯 ：李倩