精準(zhǔn)定位，讓未來(lái)觸手可及的UWB技術(shù)

UWB超寬帶技術(shù)對(duì)于不關(guān)注通信領(lǐng)域的朋友來(lái)說(shuō)，應(yīng)該還算一個(gè)新鮮詞匯，相信有不少人都是都是通過(guò)前幾年（2019 年）Apple發(fā)布的Airtag上對(duì)其有所了解的。在Apple對(duì)于Airtag大致是這么描述的：AirTag 利用 UWB 技術(shù)提供高精度的定位功能，使得用戶能夠精確地找到與其 iPhone 配對(duì)的 AirTag，其中搭載了支持 UWB 的 U1 芯片。UWB 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其定位精度、安全性、穿透性、抗干擾性以及傳輸距離等方面，這些都顯著優(yōu)于其他無(wú)線定位技術(shù)，如藍(lán)牙、Wi-Fi 和 RFID。

今天我們就再來(lái)和各位聊聊UWB技術(shù)，不過(guò)放心，我們不是來(lái)聊Apple的UWB技術(shù)（這幾天托WWDC的福，Apple的消息多如牛毛相信各位已經(jīng)看膩了）。

所謂UWB（Ultra Wide Band，超寬帶），是一種利用超寬帶無(wú)線載波通信技術(shù)的芯片，它通過(guò)極短的電磁脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，并計(jì)算從接收器和發(fā)射器之間的時(shí)間差來(lái)確定物體的位置，可以在幾厘米到幾毫米的范圍內(nèi)定位目標(biāo)。UWB所使用的頻段包括3.1-4.8GHz低頻段和6-10.6GHz高頻段兩種，因此被稱為“超寬帶”。

與不少最近熱門(mén)的技術(shù)一樣，UWB（Ultra-Wideband）技術(shù)也不是最新才出現(xiàn)的，同樣是“科技考古”和“軍轉(zhuǎn)民”的產(chǎn)物。其起源于上世紀(jì)60年代，UWB技術(shù)最初用于軍事領(lǐng)域，特別是在雷達(dá)和定位系統(tǒng)中。由于其寬頻帶特性和低功率傳輸，UWB信號(hào)具有較好的穿透能力和抗干擾能力。而在90年代，隨著蘇聯(lián)的轟然倒塌，冷戰(zhàn)結(jié)束，許多軍事技術(shù)開(kāi)始轉(zhuǎn)向民用。UWB技術(shù)也逐漸被應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，如無(wú)線通信、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和定位系統(tǒng)。2002年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）批準(zhǔn)了UWB技術(shù)在民用領(lǐng)域的使用，為UWB技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。此后，其他國(guó)家和地區(qū)也陸續(xù)批準(zhǔn)了UWB技術(shù)的民用使用，而為了進(jìn)一步推動(dòng)UWB技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）等組織開(kāi)始制定相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)包括物理層（PHY）和數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）的技術(shù)規(guī)范，為UWB設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)提供了依據(jù)。而到如今，隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能設(shè)備的快速發(fā)展，UWB技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于更多新興領(lǐng)域。例如，UWB技術(shù)可以用于精確室內(nèi)定位、無(wú)線充電、智能家居設(shè)備之間的通信等。那么UWB是如何做到精確定位的呢？    

要想了解UWB芯片為什么能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位，就要先了解到兩個(gè)UWB領(lǐng)域簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)概念：錨點(diǎn)和標(biāo)簽。

錨點(diǎn)通常就是固定的UWB設(shè)備。

標(biāo)簽通常是指移動(dòng)的UWB設(shè)備。

錨點(diǎn)和標(biāo)簽可交換信息，以便確定兩者之間的距離。標(biāo)簽的確切位置可通過(guò)與多個(gè)錨點(diǎn)通信來(lái)確定。一些設(shè)備可作為錨點(diǎn)，也可作為標(biāo)簽。例如，當(dāng)兩個(gè)移動(dòng)手機(jī)使用UWB來(lái)計(jì)算相互之間的距離時(shí)，它們可以在計(jì)算過(guò)程中轉(zhuǎn)化角色，交替地用作標(biāo)簽和錨點(diǎn)。

UWB定位技術(shù)主要基于三種原理：雙向測(cè)距（TWR）、到達(dá)時(shí)間差（TDoA）和到達(dá)相位差（PDoA），每種原理都有其獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)景和優(yōu)勢(shì)。

首先，我們先來(lái)看看雙向測(cè)距（TWR）技術(shù)。其原理十分直觀就是通過(guò)測(cè)量信號(hào)往返于標(biāo)簽和錨點(diǎn)之間的時(shí)間（即往返時(shí)間），并乘以光速，來(lái)計(jì)算兩者之間的距離。在具體的實(shí)現(xiàn)上，第一步是由設(shè)備A（發(fā)起者）發(fā)送一個(gè)特殊的UWB脈沖信號(hào)給設(shè)備B（接收者）用于初始化；第二步為第一輪時(shí)間戳記錄，設(shè)備A在發(fā)送信號(hào)時(shí)記錄下時(shí)間戳T1，設(shè)備B在接收到信號(hào)時(shí)記錄下時(shí)間戳T2；第三步，為建立應(yīng)答信號(hào)，設(shè)備B在接收到信號(hào)后，會(huì)立即發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)給設(shè)備A，并在發(fā)送時(shí)記錄下時(shí)間戳T3；第四步會(huì)記錄第二輪時(shí)間戳，設(shè)備A在接收到應(yīng)答信號(hào)時(shí)記錄下時(shí)間戳T4；而最后一步，就是計(jì)算距離，設(shè)備A和設(shè)備B通過(guò)交換這些時(shí)間戳，可以計(jì)算出信號(hào)在兩個(gè)方向上的傳播時(shí)間。假設(shè)信號(hào)在兩個(gè)方向上的傳播速度相同，則可以計(jì)算出兩個(gè)設(shè)備之間的距離。    

這種雙向測(cè)距（TWR）技術(shù)通常被用在車輛無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)之中，其優(yōu)勢(shì)是精度較高，且系統(tǒng)簡(jiǎn)單。

其次，另一種原理為到達(dá)時(shí)間差（TDoA）技術(shù)。TDoA（Time Difference of Arrival，到達(dá)時(shí)間差）和反向TDoA方法的工作原理與GPS定位系統(tǒng)相似，通過(guò)在固定位置部署一系列的參考點(diǎn)，即“錨點(diǎn)”，并確保這些錨點(diǎn)在時(shí)間上精確同步。在TDoA系統(tǒng)中，移動(dòng)設(shè)備會(huì)定期發(fā)送信號(hào)，當(dāng)錨點(diǎn)接收到這些信號(hào)時(shí)，它們會(huì)記錄下基于共同同步時(shí)鐘的時(shí)間戳。隨后，這些時(shí)間戳?xí)话l(fā)送到一個(gè)中央定位引擎，該引擎會(huì)利用多點(diǎn)定位算法和接收到的信號(hào)的時(shí)間差來(lái)確定移動(dòng)設(shè)備的位置，從而得出移動(dòng)設(shè)備的二維（2D）或三維（3D）坐標(biāo)。    

反向TDoA的工作方式則略有不同，更接近于傳統(tǒng)的GPS系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，錨點(diǎn)會(huì)發(fā)送同步信號(hào)，這些信號(hào)具有預(yù)定或已知的偏移量，以防止信號(hào)間的干擾。移動(dòng)設(shè)備接收到這些信號(hào)后，會(huì)使用TDoA技術(shù)和多點(diǎn)定位算法來(lái)計(jì)算自己的位置。這種方法使得移動(dòng)設(shè)備能夠獨(dú)立地確定自己的位置，而不需要依賴于外部的主定位引擎。

而最后一種常用的UWB測(cè)距技術(shù)，到達(dá)相位差（Phase Difference of Arrival, PDoA）是一種基于相位測(cè)量的定位技術(shù)，它結(jié)合了兩個(gè)設(shè)備之間的距離測(cè)量和方位角測(cè)量。通過(guò)這種結(jié)合，可以在沒(méi)有其他基礎(chǔ)設(shè)施輔助的情況下計(jì)算兩個(gè)設(shè)備之間的相對(duì)位置。    

在PDoA系統(tǒng)中，至少有一個(gè)設(shè)備需要裝備兩根或更多天線，并且能夠測(cè)量信號(hào)到達(dá)每根天線時(shí)的相位差。由于相位差測(cè)量對(duì)天線形狀的變化不敏感，因此可以實(shí)現(xiàn)非常高的測(cè)量精度，通常優(yōu)于10°。這意味著，通過(guò)測(cè)量相位差，可以非常準(zhǔn)確地確定發(fā)射器的方位角，其誤差通常在5°以下。其具體實(shí)現(xiàn)方法原理為：    

信號(hào)發(fā)射，一個(gè)帶有UWB發(fā)射器的移動(dòng)設(shè)備（稱為標(biāo)簽）向周圍的多個(gè)接收器（稱為錨點(diǎn)）發(fā)送UWB信號(hào)；信號(hào)接收，每個(gè)錨點(diǎn)接收到標(biāo)簽發(fā)出的UWB信號(hào)，并記錄下接收到信號(hào)的相位信息；相位差計(jì)算，通過(guò)比較不同錨點(diǎn)接收到的信號(hào)的相位差，可以計(jì)算出標(biāo)簽相對(duì)于每個(gè)錨點(diǎn)的相對(duì)位置。相位差是由于標(biāo)簽到每個(gè)錨點(diǎn)的距離不同導(dǎo)致的；定位算法，利用三角測(cè)量或其他幾何算法，結(jié)合錨點(diǎn)的位置信息和相位差數(shù)據(jù)，計(jì)算出標(biāo)簽的確切位置。

UWB技術(shù)作為一種近幾年重新興起的定位技術(shù)，憑借其高精度、低功耗、抗干擾等優(yōu)勢(shì)，在各個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。從蘋(píng)果的AirTag到智能家居，從工業(yè)自動(dòng)化到醫(yī)療健康，UWB技術(shù)正在改變著我們的生活和工作方式。

隨著UWB技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，我們可以期待更多創(chuàng)新應(yīng)用的出現(xiàn)。例如，在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，UWB技術(shù)可以用于實(shí)現(xiàn)車輛之間的精確距離測(cè)量和位置感知，從而提高自動(dòng)駕駛的安全性；在智慧城市領(lǐng)域，UWB技術(shù)可以用于構(gòu)建高精度室內(nèi)外定位系統(tǒng)，為市民提供更加便捷的生活服務(wù)；在智能制造領(lǐng)域，UWB技術(shù)可以用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的精準(zhǔn)定位和跟蹤，提高生產(chǎn)效率和安全性。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，相信UWB技術(shù)將會(huì)在未來(lái)發(fā)揮更大的作用，為人類社會(huì)帶來(lái)更多的便利和福祉。