一、引言
在科技飛速發(fā)展的當(dāng)下，無人機(jī)技術(shù)取得了顯著進(jìn)步，廣泛應(yīng)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(yīng)用場景中，精準(zhǔn)定位對于無人機(jī)而言至關(guān)重要，其定位精度直接關(guān)乎任務(wù)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(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS），雖然在開闊環(huán)境中能夠提供較為準(zhǔn)確的定位信息，但在復(fù)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(yīng)等問題，導(dǎo)致定位精度嚴(yán)重下降，無法滿足無人機(jī)在這些場景中的應(yīng)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(dú)特的技術(shù)特性，為無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位帶來了新的契機(jī)。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(qiáng)、定位精度高等顯著優(yōu)勢。將 UWB 技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)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(jī)在各種復(fù)雜環(huán)境下的定位性能，拓展無人機(jī)的應(yīng)用范圍，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)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(jìn)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(dá)數(shù) GHz，遠(yuǎn)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(kuò)頻（DSSS）兩種。在 IR-UWB 系統(tǒng)中，僅需產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間短至 nS 級以下的脈沖，便可通過天線進(jìn)行發(fā)送，需要傳送的信息可以通過改變脈沖的幅度、時(shí)間、相位進(jìn)行加載，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息傳輸。
在定位方面，UWB 技術(shù)主要基于飛行時(shí)間（TOF）原理來計(jì)算目標(biāo)之間的距離。常見的測距方法包括雙向飛行時(shí)間法（TW-TOF）、單向飛行時(shí)間法（TOF）和雙側(cè)單向測距（SS-TWR）。雙向飛行時(shí)間法通過兩個(gè)異步收發(fā)機(jī)之間的信號往返時(shí)間差來計(jì)算距離，能夠有效消除時(shí)鐘同步誤差，提高測距精度；單向飛行時(shí)間法通過測量信號從發(fā)射到接收的時(shí)間差來計(jì)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(diǎn)
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(jī)編隊(duì)飛行、精準(zhǔn)避障、自主著陸等任務(wù)至關(guān)重要。例如，在無人機(jī)編隊(duì)飛行中，高精度的定位能夠確保無人機(jī)之間保持精確的相對位置，實(shí)現(xiàn)整齊劃一的隊(duì)形控制和動(dòng)態(tài)調(diào)整。
抗干擾能力強(qiáng)：UWB 信號功率譜密度低，且?guī)挊O寬，能夠有效抑制多徑效應(yīng)和其他干擾源的影響。在復(fù)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(jiān)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(wù)，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(jī)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(jī)的續(xù)航時(shí)間，使其能夠在一次充電或一次燃油補(bǔ)給的情況下執(zhí)行更長時(shí)間的任務(wù)。
高安全性：由于 UWB 信號強(qiáng)度較低，不易被外界偵測到，適合無人機(jī)等需要隱蔽操作的場景。在一些特殊應(yīng)用中，如軍事偵察、秘密監(jiān)測等，無人機(jī)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(wù)，提高了任務(wù)的安全性和保密性。
信號穿透性好：UWB 信號具有較強(qiáng)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(jī)在室內(nèi)環(huán)境、密林區(qū)域等復(fù)雜場景下也能夠?qū)崿F(xiàn)較為可靠的定位。
三、無人機(jī)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(jī)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(gè)不同位置設(shè)置基站，利用 UWB 技術(shù)測量無人機(jī)與各個(gè)基站之間的距離，根據(jù)三角形的幾何原理計(jì)算出無人機(jī)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(jī)表演場地。其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算相對簡單，所需基站數(shù)量較少；缺點(diǎn)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(gè)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(kuò)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(jī)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(yán)格。
蜂窩狀部署法借鑒了移動(dòng)通信基站的部署方式，將多個(gè)基站按照蜂窩狀布局進(jìn)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(diǎn)是覆蓋范圍廣、定位精度均勻；缺點(diǎn)是基站數(shù)量眾多，部署和維護(hù)成本高，系統(tǒng)復(fù)雜度大。
在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的場景需求和環(huán)境特點(diǎn)，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(jī)編隊(duì)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(jī)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(jìn)一步提高無人機(jī)的定位性能，UWB 模塊通常需要與其他傳感器模塊進(jìn)行融合。常見的與 UWB 模塊融合的傳感器包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）、視覺傳感器和激光雷達(dá)等。
UWB 模塊與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）結(jié)合，可以提供更精確的無人機(jī)定位信息。INS 能夠?qū)崟r(shí)測量無人機(jī)的加速度和角速度，通過積分運(yùn)算得到無人機(jī)的姿態(tài)和位置信息。然而，INS 存在誤差隨時(shí)間累積的問題。在室內(nèi)或復(fù)雜環(huán)境中，UWB 模塊通過測量無人機(jī)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(jī)進(jìn)入室內(nèi)環(huán)境后，GNSS 信號受到遮擋無法使用，此時(shí) UWB-INS 融合系統(tǒng)能夠繼續(xù)為無人機(jī)提供準(zhǔn)確的定位信息，確保無人機(jī)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(jìn)一步提升無人機(jī)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(jī)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(diǎn)，計(jì)算無人機(jī)相對于這些特征點(diǎn)的位置和姿態(tài)。UWB 模塊則提供無人機(jī)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(jìn)行校準(zhǔn)，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(yīng)對多徑效應(yīng)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(dú)使用視覺傳感器可能會出現(xiàn)定位不準(zhǔn)確的情況，此時(shí) 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(dá)的融合也能為無人機(jī)帶來更強(qiáng)大的定位和避障能力。激光雷達(dá)通過發(fā)射激光束并測量反射光的時(shí)間來獲取周圍環(huán)境的三維點(diǎn)云信息，能夠精確感知無人機(jī)周圍障礙物的位置和形狀。UWB 模塊提供無人機(jī)的精確位置信息。在無人機(jī)飛行過程中，激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以與 UWB 的定位信息相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的路徑規(guī)劃和避障。例如，在無人機(jī)穿越狹窄通道或復(fù)雜障礙物區(qū)域時(shí)，激光雷達(dá)能夠?qū)崟r(shí)檢測到障礙物的位置，UWB 模塊則確保無人機(jī)準(zhǔn)確知道自身的位置，兩者協(xié)同工作，幫助無人機(jī)安全通過復(fù)雜區(qū)域。
四、UWB 技術(shù)在無人機(jī)精準(zhǔn)定位中的應(yīng)用場景
4.1 無人機(jī)編隊(duì)飛行
在無人機(jī)編隊(duì)飛行應(yīng)用中，UWB 技術(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。無人機(jī)編隊(duì)飛行要求各無人機(jī)之間保持精確的相對位置，以實(shí)現(xiàn)整齊美觀的編隊(duì)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(jī)之間的相對位置，實(shí)現(xiàn)隊(duì)形控制和動(dòng)態(tài)調(diào)整。
利用 UWB 模塊進(jìn)行兩點(diǎn)間測距，結(jié)合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和 GPS 數(shù)據(jù)，計(jì)算無人機(jī)的相對位置。在多無人機(jī)系統(tǒng)中，通過 UWB 模塊實(shí)現(xiàn)無人機(jī)之間的實(shí)時(shí)通信和協(xié)作控制，從而提高編隊(duì)飛行的穩(wěn)定性和效率。例如，在大型無人機(jī)燈光秀表演中，成百上千架無人機(jī)需要按照預(yù)設(shè)的圖案和軌跡進(jìn)行飛行，UWB 技術(shù)能夠確保每架無人機(jī)都能準(zhǔn)確知道自己與其他無人機(jī)的相對位置，實(shí)現(xiàn)精確的編隊(duì)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(jī)定位與導(dǎo)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(yán)重遮擋，無法為無人機(jī)提供有效的定位服務(wù)。UWB 技術(shù)憑借其抗多徑能力強(qiáng)、信號穿透性好等優(yōu)勢，成為室內(nèi)無人機(jī)定位與導(dǎo)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(jī)搭載 UWB 模塊可以實(shí)時(shí)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(dǎo)航系統(tǒng)等，無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的室內(nèi)定位與導(dǎo)航。例如，在室內(nèi)物流配送場景中，無人機(jī)需要在倉庫內(nèi)準(zhǔn)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(jī)在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，高效完成配送任務(wù)。
4.3 復(fù)雜環(huán)境下的無人機(jī)作業(yè)
在復(fù)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(jī)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(yīng)，導(dǎo)致定位精度嚴(yán)重下降。UWB 信號帶寬極寬，能夠有效抑制多徑效應(yīng)的影響，為無人機(jī)提供穩(wěn)定的定位服務(wù)。無人機(jī)可以利用 UWB 技術(shù)在城市峽谷中準(zhǔn)確飛行，執(zhí)行電力巡檢、安防監(jiān)控等任務(wù)。
在密林區(qū)域，衛(wèi)星信號同樣受到嚴(yán)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(qiáng)的穿透能力，能夠在一定程度上穿透樹木等障礙物，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)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(jī)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(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)定，配合密林中 UWB 標(biāo)簽組網(wǎng)測距，能夠完成密林中 UWB 標(biāo)簽定位，滿足森林資源管理、野外救援、森林巡護(hù)等應(yīng)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(yīng)問題
在復(fù)雜環(huán)境中，UWB 信號可能受到反射、折射等多徑效應(yīng)的影響。這些反射信號會與直接路徑信號（直達(dá)信號）同時(shí)到達(dá)接收器，從而產(chǎn)生多徑干擾，導(dǎo)致測距誤差增大，影響無人機(jī)的定位精度。
為了解決多徑效應(yīng)問題，研究者提出了多種解決方案。一方面，可以通過改進(jìn)信號處理算法來減少多徑誤差。例如，采用到達(dá)時(shí)間差（TDOA）算法，通過測量信號到達(dá)不同基站的時(shí)間差來確定無人機(jī)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(jìn)行加權(quán)處理，增強(qiáng)直達(dá)信號的強(qiáng)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(jìn)行輔助修正，進(jìn)一步提高定位精度。
5.2 系統(tǒng)復(fù)雜度與成本
無人機(jī)多基站多模塊融合組網(wǎng)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)涉及多個(gè)基站的部署、多種傳感器模塊的集成以及復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理算法，這導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度較高，成本也相應(yīng)增加。
為了降低系統(tǒng)復(fù)雜度和成本，首先在硬件設(shè)計(jì)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(jì)高效的定位算法和數(shù)據(jù)融合算法，減少計(jì)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(jì)算復(fù)雜度，使其能夠在資源有限的無人機(jī)設(shè)備上快速運(yùn)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(shí)保證定位精度和覆蓋范圍，從而降低基站建設(shè)和維護(hù)成本。
5.3 通信延遲與可靠性
在無人機(jī)定位系統(tǒng)中，通信延遲和可靠性直接影響無人機(jī)的飛行安全和任務(wù)執(zhí)行效果。UWB 通信雖然具有高速率、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，但在多基站多模塊融合組網(wǎng)的復(fù)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(shí)分復(fù)用（TDM）和頻分復(fù)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(jī)制，確保在部分鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，通信仍能正常進(jìn)行。例如，在基站之間建立多條通信鏈路，當(dāng)一條鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)切換到其他備用鏈路。此外，還可以通過增加信號強(qiáng)度、優(yōu)化天線設(shè)計(jì)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。
