一、引言
在科技飛速發(fā)展的當下，無人機技術(shù)取得了顯著進步，廣泛應用于諸多領(lǐng)域，如航拍測繪、物流配送、農(nóng)業(yè)植保、安防監(jiān)控等。在這些應用場景中，精準定位對于無人機而言至關(guān)重要，其定位精度直接關(guān)乎任務的執(zhí)行效果與安全性。傳統(tǒng)的定位技術(shù)，如全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS），雖然在開闊環(huán)境中能夠提供較為準確的定位信息，但在復雜環(huán)境下，如城市峽谷、室內(nèi)環(huán)境、密林區(qū)域等，面臨著信號遮擋、多路徑效應等問題，導致定位精度嚴重下降，無法滿足無人機在這些場景中的應用需求。
超寬帶（UWB）技術(shù)作為一種新興的無線通信技術(shù)，憑借其獨特的技術(shù)特性，為無人機在復雜環(huán)境下實現(xiàn)精準定位帶來了新的契機。UWB 技術(shù)通過發(fā)送和接收納秒級甚至皮秒級的非正弦波窄脈沖信號來傳輸信息，具有帶寬極寬、信號功率譜密度低、抗多徑能力強、定位精度高等顯著優(yōu)勢。將 UWB 技術(shù)應用于無人機定位系統(tǒng)，并與多基站多模塊融合組網(wǎng)相結(jié)合，能夠有效提升無人機在各種復雜環(huán)境下的定位性能，拓展無人機的應用范圍，推動相關(guān)領(lǐng)域的進一步發(fā)展。
二、UWB 技術(shù)概述
2.1 UWB 技術(shù)的原理
UWB 技術(shù)與傳統(tǒng)通信技術(shù)存在本質(zhì)區(qū)別，它不依賴正弦波載波來傳輸信息，而是利用納秒（ns）至皮秒（ps）級的非正弦波窄脈沖進行數(shù)據(jù)傳遞。這些極窄脈沖具有豐富的頻譜成分，其帶寬通常在 500MHz 以上，甚至可達數(shù) GHz，遠超過傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的帶寬。UWB 信號的產(chǎn)生方式主要有沖激無線電（IR）和直接序列擴頻（DSSS）兩種。在 IR-UWB 系統(tǒng)中，僅需產(chǎn)生一個時間短至 nS 級以下的脈沖，便可通過天線進行發(fā)送，需要傳送的信息可以通過改變脈沖的幅度、時間、相位進行加載，進而實現(xiàn)信息傳輸。
在定位方面，UWB 技術(shù)主要基于飛行時間（TOF）原理來計算目標之間的距離。常見的測距方法包括雙向飛行時間法（TW-TOF）、單向飛行時間法（TOF）和雙側(cè)單向測距（SS-TWR）。雙向飛行時間法通過兩個異步收發(fā)機之間的信號往返時間差來計算距離，能夠有效消除時鐘同步誤差，提高測距精度；單向飛行時間法通過測量信號從發(fā)射到接收的時間差來計算距離，適用于單向測距場景；雙側(cè)單向測距則結(jié)合了單向測距的便捷性和雙向測距的精度。
2.2 UWB 技術(shù)的特點
高精度定位：由于 UWB 信號帶寬極寬，能夠提供亞厘米級甚至毫米級的測距精度，這對于無人機編隊飛行、精準避障、自主著陸等任務至關(guān)重要。例如，在無人機編隊飛行中，高精度的定位能夠確保無人機之間保持精確的相對位置，實現(xiàn)整齊劃一的隊形控制和動態(tài)調(diào)整。
抗干擾能力強：UWB 信號功率譜密度低，且?guī)挊O寬，能夠有效抑制多徑效應和其他干擾源的影響。在復雜的電磁環(huán)境中，如城市環(huán)境中存在大量的電磁干擾，UWB 技術(shù)能夠像一位堅定的行者，不受外界干擾，穩(wěn)定地完成數(shù)據(jù)傳輸和定位任務，保證測距的穩(wěn)定性。
低功耗：UWB 模塊通常具有低能耗特性，這對于無人機這種對功耗較為敏感的設(shè)備來說非常重要。低功耗有助于延長無人機的續(xù)航時間，使其能夠在一次充電或一次燃油補給的情況下執(zhí)行更長時間的任務。
高安全性：由于 UWB 信號強度較低，不易被外界偵測到，適合無人機等需要隱蔽操作的場景。在一些特殊應用中，如軍事偵察、秘密監(jiān)測等，無人機利用 UWB 技術(shù)能夠在不被輕易發(fā)現(xiàn)的情況下完成任務，提高了任務的安全性和保密性。
信號穿透性好：UWB 信號具有較強的穿透能力，能夠穿透墻壁、樹木等障礙物，在一定程度上解決了信號遮擋的問題。這使得無人機在室內(nèi)環(huán)境、密林區(qū)域等復雜場景下也能夠?qū)崿F(xiàn)較為可靠的定位。
三、無人機多基站多模塊融合組網(wǎng)架構(gòu)
3.1 多基站部署方案
在無人機定位系統(tǒng)中，多基站的部署方式對定位精度和覆蓋范圍有著關(guān)鍵影響。常見的基站部署方案有三角定位法、四邊定位法和蜂窩狀部署法等。
三角定位法是通過在三個不同位置設(shè)置基站，利用 UWB 技術(shù)測量無人機與各個基站之間的距離，根據(jù)三角形的幾何原理計算出無人機的位置。這種方法適用于對定位精度要求較高且覆蓋范圍相對較小的場景，例如室內(nèi)無人機表演場地。其優(yōu)點是計算相對簡單，所需基站數(shù)量較少；缺點是覆蓋范圍有限，若基站布局不合理，可能會出現(xiàn)定位盲區(qū)。
四邊定位法在四個角設(shè)置基站，構(gòu)建四邊形區(qū)域。相比三角定位法，四邊定位法能夠擴大覆蓋范圍，提高定位的穩(wěn)定性。在一些大型倉庫、工廠等室內(nèi)環(huán)境中，四邊定位法能夠更好地滿足無人機的定位需求。但該方法需要更多的基站，成本相對較高，且對基站的同步要求更為嚴格。
蜂窩狀部署法借鑒了移動通信基站的部署方式，將多個基站按照蜂窩狀布局進行設(shè)置。這種部署方式能夠?qū)崿F(xiàn)大面積的無縫覆蓋，適用于城市環(huán)境監(jiān)測、大型物流園區(qū)等場景。蜂窩狀部署法的優(yōu)點是覆蓋范圍廣、定位精度均勻；缺點是基站數(shù)量眾多，部署和維護成本高，系統(tǒng)復雜度大。
在實際應用中，需要根據(jù)具體的場景需求和環(huán)境特點，綜合考慮成本、精度、覆蓋范圍等因素，選擇合適的基站部署方案。例如，在室內(nèi)小型無人機編隊表演場景中，三角定位法可能是較為合適的選擇；而在城市規(guī)模的無人機物流配送場景中，蜂窩狀部署法更能滿足需求。
3.2 多模塊融合方式
為了進一步提高無人機的定位性能，UWB 模塊通常需要與其他傳感器模塊進行融合。常見的與 UWB 模塊融合的傳感器包括慣性導航系統(tǒng)（INS）、全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）、視覺傳感器和激光雷達等。
UWB 模塊與慣性導航系統(tǒng)（INS）結(jié)合，可以提供更精確的無人機定位信息。INS 能夠?qū)崟r測量無人機的加速度和角速度，通過積分運算得到無人機的姿態(tài)和位置信息。然而，INS 存在誤差隨時間累積的問題。在室內(nèi)或復雜環(huán)境中，UWB 模塊通過測量無人機與基站之間的距離，輔助 INS 算法修正誤差，抑制誤差的累積，從而提高定位精度。例如，在無人機進入室內(nèi)環(huán)境后，GNSS 信號受到遮擋無法使用，此時 UWB-INS 融合系統(tǒng)能夠繼續(xù)為無人機提供準確的定位信息，確保無人機能夠在室內(nèi)環(huán)境中安全飛行。
結(jié)合視覺傳感器和 UWB 模塊，可以進一步提升無人機在視覺挑戰(zhàn)環(huán)境中的定位能力。視覺傳感器能夠獲取無人機周圍環(huán)境的圖像信息，通過圖像識別和處理技術(shù)，提取環(huán)境特征點，計算無人機相對于這些特征點的位置和姿態(tài)。UWB 模塊則提供無人機與基站之間的精確距離信息。兩者融合后，視覺傳感器可以利用 UWB 的距離信息對自身的定位結(jié)果進行校準，而 UWB 模塊也可以借助視覺傳感器的環(huán)境感知能力，更好地應對多徑效應等問題。例如，在光線較暗或紋理特征不明顯的環(huán)境中，單獨使用視覺傳感器可能會出現(xiàn)定位不準確的情況，此時 UWB 模塊的加入能夠有效提升定位的可靠性。
UWB 模塊與激光雷達的融合也能為無人機帶來更強大的定位和避障能力。激光雷達通過發(fā)射激光束并測量反射光的時間來獲取周圍環(huán)境的三維點云信息，能夠精確感知無人機周圍障礙物的位置和形狀。UWB 模塊提供無人機的精確位置信息。在無人機飛行過程中，激光雷達的點云數(shù)據(jù)可以與 UWB 的定位信息相結(jié)合，實現(xiàn)更精準的路徑規(guī)劃和避障。例如，在無人機穿越狹窄通道或復雜障礙物區(qū)域時，激光雷達能夠?qū)崟r檢測到障礙物的位置，UWB 模塊則確保無人機準確知道自身的位置，兩者協(xié)同工作，幫助無人機安全通過復雜區(qū)域。
四、UWB 技術(shù)在無人機精準定位中的應用場景
4.1 無人機編隊飛行
在無人機編隊飛行應用中，UWB 技術(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。無人機編隊飛行要求各無人機之間保持精確的相對位置，以實現(xiàn)整齊美觀的編隊效果和高效的協(xié)同作業(yè)。UWB 模塊能夠提供亞厘米級甚至毫米級的高精度測距，通過精確測量無人機之間的相對位置，實現(xiàn)隊形控制和動態(tài)調(diào)整。
利用 UWB 模塊進行兩點間測距，結(jié)合慣性導航系統(tǒng)（INS）和 GPS 數(shù)據(jù)，計算無人機的相對位置。在多無人機系統(tǒng)中，通過 UWB 模塊實現(xiàn)無人機之間的實時通信和協(xié)作控制，從而提高編隊飛行的穩(wěn)定性和效率。例如，在大型無人機燈光秀表演中，成百上千架無人機需要按照預設(shè)的圖案和軌跡進行飛行，UWB 技術(shù)能夠確保每架無人機都能準確知道自己與其他無人機的相對位置，實現(xiàn)精確的編隊飛行，呈現(xiàn)出絢麗多彩的燈光表演效果。
4.2 室內(nèi)無人機定位與導航
室內(nèi)環(huán)境由于存在大量的墻壁、障礙物等，GNSS 信號受到嚴重遮擋，無法為無人機提供有效的定位服務。UWB 技術(shù)憑借其抗多徑能力強、信號穿透性好等優(yōu)勢，成為室內(nèi)無人機定位與導航的理想選擇。
通過在室內(nèi)環(huán)境中合理部署 UWB 基站，無人機搭載 UWB 模塊可以實時測量與基站之間的距離，從而確定自身在室內(nèi)的位置。結(jié)合其他傳感器，如視覺傳感器、慣性導航系統(tǒng)等，無人機能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的室內(nèi)定位與導航。例如，在室內(nèi)物流配送場景中，無人機需要在倉庫內(nèi)準確地飛行到指定貨架位置取貨和送貨，UWB 技術(shù)能夠幫助無人機在復雜的室內(nèi)環(huán)境中實現(xiàn)精準定位，高效完成配送任務。
4.3 復雜環(huán)境下的無人機作業(yè)
在復雜環(huán)境，如城市峽谷、密林區(qū)域等，傳統(tǒng)定位技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)，而 UWB 技術(shù)為無人機在這些環(huán)境下的作業(yè)提供了可靠的解決方案。
在城市峽谷中，高樓大廈林立，GNSS 信號容易受到遮擋和反射，產(chǎn)生多路徑效應，導致定位精度嚴重下降。UWB 信號帶寬極寬，能夠有效抑制多徑效應的影響，為無人機提供穩(wěn)定的定位服務。無人機可以利用 UWB 技術(shù)在城市峽谷中準確飛行，執(zhí)行電力巡檢、安防監(jiān)控等任務。
在密林區(qū)域，衛(wèi)星信號同樣受到嚴重遮擋，且樹木等障礙物對信號的吸收和散射作用明顯。UWB 信號具有較強的穿透能力，能夠在一定程度上穿透樹木等障礙物，實現(xiàn)無人機與基站之間的通信和測距。通過空地協(xié)同的方式，利用無人機攜帶 GNSS/UWB 集成化載荷升空作為空中基站，并通過 PPP-RTK 技術(shù)對基站位置進行實時標定，配合密林中 UWB 標簽組網(wǎng)測距，能夠完成密林中 UWB 標簽定位，滿足森林資源管理、野外救援、森林巡護等應用的高精度定位需求。
五、技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案
5.1 多徑效應問題
在復雜環(huán)境中，UWB 信號可能受到反射、折射等多徑效應的影響。這些反射信號會與直接路徑信號（直達信號）同時到達接收器，從而產(chǎn)生多徑干擾，導致測距誤差增大，影響無人機的定位精度。
為了解決多徑效應問題，研究者提出了多種解決方案。一方面，可以通過改進信號處理算法來減少多徑誤差。例如，采用到達時間差（TDOA）算法，通過測量信號到達不同基站的時間差來確定無人機的位置，該算法能夠在一定程度上分離多徑信號，提高定位精度。另一方面，可以利用多天線技術(shù)，如智能天線陣列，通過對不同天線接收到的信號進行加權(quán)處理，增強直達信號的強度，抑制多徑信號的干擾。此外，還可以結(jié)合其他傳感器的數(shù)據(jù)，如視覺傳感器的環(huán)境信息，對 UWB 的定位結(jié)果進行輔助修正，進一步提高定位精度。
5.2 系統(tǒng)復雜度與成本
無人機多基站多模塊融合組網(wǎng)精準定位系統(tǒng)涉及多個基站的部署、多種傳感器模塊的集成以及復雜的數(shù)據(jù)處理算法，這導致系統(tǒng)復雜度較高，成本也相應增加。
為了降低系統(tǒng)復雜度和成本，首先在硬件設(shè)計方面，可以采用集成度更高的芯片和模塊，減少硬件組件的數(shù)量，降低硬件成本和功耗。例如，研發(fā)將 UWB 模塊與其他傳感器模塊集成在一起的一體化芯片，既能減少電路板的面積，又能降低系統(tǒng)的功耗和成本。其次，在算法優(yōu)化方面，設(shè)計高效的定位算法和數(shù)據(jù)融合算法，減少計算量和數(shù)據(jù)傳輸量。例如，采用輕量化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在保證定位精度的前提下，降低算法的計算復雜度，使其能夠在資源有限的無人機設(shè)備上快速運行。此外，在基站部署方面，合理規(guī)劃基站布局，盡量減少基站數(shù)量，同時保證定位精度和覆蓋范圍，從而降低基站建設(shè)和維護成本。
5.3 通信延遲與可靠性
在無人機定位系統(tǒng)中，通信延遲和可靠性直接影響無人機的飛行安全和任務執(zhí)行效果。UWB 通信雖然具有高速率、低功耗等優(yōu)點，但在多基站多模塊融合組網(wǎng)的復雜環(huán)境下，仍然可能存在通信延遲和丟包等問題。
為了提高通信延遲與可靠性，首先在通信協(xié)議方面，采用高效的通信協(xié)議，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸流程，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜哂嗪脱舆t。例如，采用時分復用（TDM）和頻分復用（FDM）相結(jié)合的方式，合理分配通信資源，提高通信效率。其次，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，構(gòu)建可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，采用冗余鏈路和備份機制，確保在部分鏈路出現(xiàn)故障時，通信仍能正常進行。例如，在基站之間建立多條通信鏈路，當一條鏈路出現(xiàn)故障時，自動切換到其他備用鏈路。此外，還可以通過增加信號強度、優(yōu)化天線設(shè)計等方式，提高信號的傳輸質(zhì)量和可靠性，減少丟包現(xiàn)象的發(fā)生。