摘要 针对隧道施工现场环境复杂，作业难度大，为有效减小安全隐患在隧道施工建设过程中人、车、物的定位在建设过程中显得尤为必要，特别在“作业面”采用物联网无线定位技术的施工管理系统，可实时掌握对象的行动轨迹，提高危险区域施工安全性，避免事故的发生，还可以为应急抢险提供重要的信息保障。本文基于超宽带（Ultra-wide band）技术的定位系统和到达时间差（Time Difference of Arrival）的定位方案可实现济南济泺路穿黄隧道实时精准的位置追踪。
关键词 定位系统 位置追踪 超宽带 TDOA
1 引言
近些年来随着国内基础设施建设力度不断加强，全国铁路道路里程持续增长。由于我国复杂的地貌环境，隧道工程不可或缺。隧道施工相较与常规地面施工具有隐蔽性大、构造物多、通讯不便、作业空间有限、建设工期长等特点，存在一定事故隐患及不确定性，因此定位技术在地铁隧道安全施工中具有重要的应用价值。常用于室内定位的有红外定位技术、超声波定位技术、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、蓝牙定位技术、无线个域网（Zigbee）、无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN），而这些技术存在探测距离有限、抗扰能力差、定位精度低等不足。UWB相较于其他技术具有良好的抗多径干扰能力、极高的时间分辨率、传输速率高、发送功率小等优势，特别适用于济南市济泺路穿黄隧道这类型的地下隧道的应用场景。
2 超宽带技术特点
超宽带技术通过利用极窄的脉冲信号实现通信，因此也称作脉冲无线电[1]。其信号相对带宽满足：
绝对带宽满足：
其中和表示UWB信号在相对于其功率峰值下降10dB处存在的高端频率和低端频率。根据经典雷达成像原理，距离分辨率与信号宽度关系为，其中是信号在介质中的传播速度，由此可知超宽带定位技术相较于窄带无线系统有极高的测距精度，并且由于系统发射的窄脉冲占空比很低，其多径信号通常在时间上可分离而不会产生干扰。此外UWB采用跳时扩频信号，具备较宽的频带，根据香农公式，在信道容量C一定时，高宽带可降低信噪比，因此UWB具有很强的抗干扰性[2]。
3 TDOA定位算法
TDOA是一种利用时间差进行定位到算法，测量的几何数据为距离差。假设系统有两个基站和信标，信标在时刻发出信号且两个基站接收信号的时间为，基站与信号的距离为，基站收到信号的时间差为，则：
由此：
当基站间实现时钟同步时可由系统时钟测量获得，而由上述公式可得一组双曲线，假如当系统加入第三个基站时，可与其他两个基站再经上述公式得到另外两组双曲线，经解算服务器计算后可以获取位置坐标，即双曲线的交点，如图所示。
TDOA算法原理
TOA算法原理
在TDOA方案中，由于基站和信标之间不需要实现时钟同步，一定程度减小了系统难度和误差，并且TDOA容易实现，灵活性较高，能够布置大量的基站，实现大范围的定位服务，另外基于TDOA的UWB技术是利用多个基站接收的信号来确定目标节点的位置，定位精度有了很大提升，因此可以实现多用户高精度的定位服务，在实际系统中应用广泛。不过TDOA最大的特点是利用基站间的时间差数据来获取距离差，因此要求基站间实现高精度的时间同步。
基于时间到达法（Time of Arrival，TOA）的双程测距方式（Two Way Ranging，TWR）通过采用系统标签双向交流所需时间来获取之间距离，因此其最大的特点是有效避免了时钟同步问题，不会受到同步误差对测距精度的影响，但是这种双向交流的方式使得TWR系统实现复杂，标签需要和基站逐个测距，限制了系统容量，不利于支持大量用户同时定位[3]，另一方面测距需要多次报文发送，等待接收时间较长，因此TWR多用于单用户或少量用户的定位系统设计[4]。
4 定位系统设计
本设计的定位系统如图2所示：
由图2可看出定位系统架构主要有人员信标、定位基站、交换机、解算服务器和客户端五部分组成。
4.1 人员信标。人员信标由隧道工作人员携带来确定其位置，且每个信标在该物联网都有唯一ID，可将其附加在安全帽上或制定成工牌佩戴。信标由定位芯片、主控制器及电池供电模块组成，按设定频率不断向附近基站发送上报报文以实现实时定位。定位芯片主要发射和接收UWB信号，控制器控制信号的接收与发射。
4.2 定位基站。定位基站由定位芯片、主控制器、电池供电模块及网口模块组成。定位芯片与控制器通过USART接口进行数据交换，基站利用网口将收集到的信息通過网线传输至由隧道内交换机组成的环网。基站可采用壁挂式或抱箍式安装在隧道。
4.3 交换机、解算服务器与客户端交换机汇集基站传输的数据信息后，通过光纤传输至管理中心核心交换机，经解算服务器分析、整理数据后，即可在客户端管理平台上显示，管理平台应用系统可实现全局位置显示、实时轨迹跟踪、历史数据回放等功能，还可根据实际需求进行开发拓展。
5 结语
秉持“安全第一、预防为主、综合治理”的安全生产方针，一套稳定精准的人员定位系统可以有效减小事故带来的危害，提高生产效率。本文以隧道为应用场景对UWB定位系统做了探讨和设计，符合实际需求。由于UWB技术在室内定位系统上的优越性，很多学者企业在该方向进行研究，技术不断成熟，其应用成本也在不断降低，逐渐成为主流。
参考文献
[1] 王磊，张洪顺，柏熙.超宽带定位技术应用[J].通信对抗，2007，98（3）：33-36.
[2] 杜鹃.超宽带室内技术及其干扰分析方法研究[D].中国科学院研究生院，2012.
[3] 杨楠.基于UWB的矿井人员定位系统设计[J].物联网技术，2015，2：20-21.
[4] 王明东，戴亚文.基于UWB技术的隧道无线定位方法研究[A].武汉理工大学学报，2016