我国化工产业安全问题突出，危险化学品事故频发，要实现化工产业高质量发展，必须保证作业人员的安全。为保障化工作业人员安全，须实现对作业人员的精确定位，超宽带（UWB-Ultra Wide Band）技术具有抗干扰能力强、穿透性好，在多路径环境仍能精确测定到达时间，可以获得亚米级的定位精度，能够很好地满足危化生产场景下生产人员定位的精度要求。

　　目前，应用于化工场景的UWB定位系统采用的是到达时间差（TDOA）定位方法。这种系统要求UWB基站间必须采用有线通信以保障严格的时间同步，加上本身的功耗较大，因此普遍采用的是POE有线供电方式。这种基站间线连接的UWB定位系统应用于危化生产场景时需要穿管布线，要求动火施工，因此其安装工程成本和风险都很高，严重制约了其危化生产人员定位场景中的应用。针对上述问题，本文设计了一种适用于危化生产场景的UWB无线信标定位系统。系统采用电池供电的无线信标，其部署间隔大，在保证亚米级定位精度的同时，大大降低了系统的设备和安装成本，非常适用于危化生产等工业场景的人员定位管理。

  系统总体设计

　　UWB无线信标定位系统结构如图1所示。系统由UWB无线信标、UWB定位标签、通信基站、人员管理服务器、管理软件构成。UWB无线信标固定布设在危化生产区域，生产人员佩戴UWB定位标签，通信基站分配UWB无线信标和标签的工作时隙，并上传定位标签测量的距离信息至人员管理服务器，然后解算出生产人员的位置信息，管理软件的功能包括标签和信标相关信息的录入管理、定位区域划分、电子围栏设定等。

图1系统总体结构图

　　该系统是一种基于TOF（TimeOfFlight）测距的定位系统，其原理首先是通过测量定位标签与无线信标之间的飞行时间，通过光速换算两者之间的距离，然后利用测得的同一定位标签与多个无线信标之间的距离来实现对定位标签的平面定位。

图2单边双向测距（SS-TWR）原理图

　　根据测距消息的传输方式，TOF测距分为单向测距和双向测距。双向测距法相对于定位标签和无线信标间需要严格时间同步的单向测距法，其实现复杂度和成本更低。本系统采用了单边双向测距（SS-TWR）方法，原理图如图2所示。

　　单边双向测距（SS-TWR）原理是由定位标签发送UWB定位信号至无线信标，无线信标接收到UWB定位信号后发送回复UWB信号至定位标签，定位标签和无线信标在发送和接收时都需记录当前时间戳；获取标签发送定位信号的时间与接收到回复信号的时间的时间差，即为标签时间测量，记作t1；获取信标接收定位信号与发送回复信号的时间的时间差，即为信标时间测量，记作t2；定位信号在标签与信标之间的飞行时间记作tf，将获取的飞行时间tf乘以光速c，即得标签与信标之间的距离记作d：

　　基于TOF的定位方法要求有3个不共线的UWB无线信标。以信标为圆心，信标与标签间的距离为半径画圆，三个圆的交点即为定位标签所在的平面位置。由于测量误差的存在，实际定位场景下三个圆通常不能相交于一点，而是相交于一块区域，三个圆的位置如图3所示，需采用其他算法进行估计，此处采用最小二乘法进行求解。

图3三圆相交位置图

　　建立方程，得到方程组：

　　将第一个方程和第二个方程分别减第三个方程，得到矩阵表达式：

　　式中

　　采用最小二乘法求解，所得即为定位标签的坐标。

      UWB无线信标的低功耗设计

　　时隙分配

　　由于实际定位场景中往往多个定位标签同时处于同一个定位区域内，为避免定位标签之间冲突，通信基站对区域内所有定位标签进行排序并分配相应工作时隙。

　　TOF调度机制

　　系统中上行TOF调度机制，由ZigBee通信基站为定位区域中UWB无线信标分配时间窗，UWB无线信标通过ZigBee接收时钟同步数据，并在时间窗开始时唤醒UWB部分使其处于接收（侦听）状态。

　　测距流程由UWB定位标签上行发起，UWB无线信标收到定位标签带有发送时间戳的UWB信号后，信标回复带有应答时间戳的UWB信号，然后由标签计算出两者间的距离。

　　功耗对比

　　将UWB无线信标在持续工作和低功耗调度模式的功耗在同一环境下测试，测试结果如表1。

　　由表1的测试结果可见，通过低功耗设计后，UWB无线信标的功耗约为持续工作的1/6000。若UWB无线信标采用40000mAh的电池供电，则其续航时长可达8年。考虑到电池电量可利用率为0.8，因此布设于现场的UWB无线信标续航时间可达7年，大大降低了UWB无线信标的运维成本。

   应用案例

图4亚米级UWB定位系统的现场部署图

　　感知层由UWB无线信标和UWB定位标签组成，UWB无线信标在危化生产区域布设，UWB标签由生产人员佩戴；传输层的通信基站于墙面或抱杆安装，220V交流电源为通信基站供电；服务层为人员管理服务器；应用层为客户端。针对于危化生产环境的特殊性，UWB无线信标、UWB定位标签、通信基站均按照本安型防爆要求进行设计，满足ExibIICT4防爆等级。

　　巨化集团是位于浙江衢州的全国特大型化工联合企业，其下属的浙江创氟高科新材料有限公司承担了年产5000吨巨芯冷却液的浙江省重大项目。巨芯冷却液的生产属于危化生产，其中的人员管理采用了基于UWB无线信标的亚米级定位系统。厂区合理部署高精度UWB无线信标及通信基站，UWB无线信标、整体部署如图4（a）（b），图4（b）中圆形标志为UWB信标安装点位，定位标签由作业人员佩戴，实现了对生产区域内作业人员的亚米级高精度定位管理，定位精度优于1m。

  结论

　　本文针对危化生产场景高精度定位的需求，设计了一种基于UWB无线信标的高精度定位系统，提出了一种UWB无线信标的低功耗调制机制，其续航时间可达7年。这种定位系统可以有效地降低系统布设施工成本和系统的运维成本，应用于浙江创氟高科新材料有限公司巨芯冷却液生产现场，满足了应急管理部《“工业互联网+危化安全生产”试点建设方案》亚米级生产人员定位的要求。（本文系衢州市财政资助科研项目 项目编号: 2022D004，2021D009）