下一代汽車鑰匙-第三代汽車數(shù)字鑰匙(UWB/BLE/NFC)

最近工作中一直能接觸到數(shù)字鑰匙、NFC等概念，所以今天給大家分享一下什么是汽車數(shù)字鑰匙以及它的主要功能及技術(shù)原理。首先介紹一下汽車鑰匙的發(fā)展歷程。汽車鑰匙經(jīng)歷了機(jī)械鑰匙、遙控鑰匙、PEPS（無(wú)鑰匙進(jìn)入/啟動(dòng)系統(tǒng)）、數(shù)字鑰匙（UWB/BLE/NFC三種技術(shù)）四個(gè)階段。下面先簡(jiǎn)單介紹一下UWB、BLE、NFC都分別代表了什么。UWB(Ultra Wideband ):超寬帶、BLE(Bluetooth Low Energy) :藍(lán)牙低能耗、NFC(Near Field Communication):近場(chǎng)通信。

數(shù)字鑰匙也已經(jīng)發(fā)展了3代，包括第一代的NFC、第二代的BLE，而到了2021 年 7 月，CCC(Car ConnectivityConsortium)全球車聯(lián)聯(lián)盟發(fā)布了汽車數(shù)字秘鑰3.0版規(guī)范，明確了第三代數(shù)字鑰匙是基于UWB/BLE(藍(lán)牙)+NFC的互聯(lián)方案，UWB 作為數(shù)字鑰匙的標(biāo)準(zhǔn)正式公布——自此開始，UWB技術(shù)以其更高的安全性、更快的響應(yīng)速度和厘米級(jí)的定位精度，日益為車企產(chǎn)品創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)所矚目，并主動(dòng)推動(dòng)技術(shù)落地。同時(shí)手機(jī)廠商從2019 年開始相繼推出搭載UWB 技術(shù)的手機(jī)，最先應(yīng)用 UWB 的是 2019 年蘋果發(fā)布的 iPhone11，加裝 UWB 主要是為了增強(qiáng)空間感知能力，比如在隔空投送時(shí)會(huì)識(shí)別投送設(shè)備的距離，越近越優(yōu)先，2021 年小米發(fā)布IMX4時(shí)展示的“一指連”功能，主要就是靠UWB技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而BLE、NFC早已經(jīng)是手機(jī)自帶的最基本功能。在上述因素的驅(qū)動(dòng)下，2022 年 1 月上市的寶馬iX M60 和 iXxDrive40 是全球應(yīng)用 UWB 數(shù)字鑰匙的第一款車型；2022 年 3 月交付的蔚來(lái)ET7是國(guó)內(nèi)首發(fā)UWB的車型；另外特斯拉、大眾、福特、奧迪、現(xiàn)代、長(zhǎng)城等車廠都對(duì)UWB技術(shù)開始布局。

主要技術(shù)如下：

首先介紹一下現(xiàn)階段汽車廣泛采用的無(wú)鑰匙進(jìn)入與無(wú)鑰匙啟動(dòng)系，即我們常說(shuō)的PEPS（Passive Entry Passive Start）系統(tǒng)，主要通過(guò)RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)，PEPS 作用距離一般是1.5米（因?yàn)榈皖l天線的偵測(cè)范圍一般是0.8-1.5米）。

PEPS主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能：

（1）無(wú)鑰匙進(jìn)入功能：

需要給到車主一個(gè)智能鑰匙，當(dāng)車主攜帶智能鑰匙并用手觸碰車門把手上的電容傳感器后，PEPS 控制器會(huì)驅(qū)動(dòng)門把手上的低頻天線掃描智能鑰匙，掃描到并且通過(guò)認(rèn)證后，就可以自動(dòng)開鎖；

（2）無(wú)鑰匙鎖車：

車主關(guān)閉車門并觸碰門把手，此時(shí)PEPS控制器驅(qū)動(dòng)車內(nèi)和車外門把手上的低頻天線同時(shí)掃描智能鑰匙，如果車內(nèi)掃描到鑰匙，則無(wú)法鎖止，如果車內(nèi)掃描不到鑰匙而且車外掃描到了，則鎖止。

（3）無(wú)鑰匙啟動(dòng)功能：

當(dāng)車主攜帶智能鑰匙在車內(nèi)，按下車內(nèi)一鍵啟動(dòng)開關(guān)就可以啟動(dòng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)。

而下一代數(shù)字鑰匙將把鑰匙做到手機(jī)里變成虛擬鑰匙，取代實(shí)體智能鑰匙。

第三代數(shù)字鑰匙：集成了NFC 、BLE 、UWB 三種模塊功能。

（1）BLE（藍(lán)牙）：體驗(yàn)和 PEPS 差不多，和PEPS的區(qū)別主要是通過(guò)藍(lán)牙把手機(jī)變成了汽車虛擬鑰匙，藍(lán)牙的功耗較低，在較遠(yuǎn)的地方可以先進(jìn)行藍(lán)牙連接，進(jìn)行身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)交互，并進(jìn)行粗略的定位。

（2）UWB（超寬帶）：利用飛行時(shí)間來(lái)精準(zhǔn)測(cè)量車身UWB模塊與數(shù)字鑰匙之間的距離，可以提供10厘米級(jí)的高精度位置感知能力，根據(jù)攜帶數(shù)字鑰匙的用戶與車輛的相對(duì)位置啟動(dòng)相關(guān)功能。但是由于功耗大所以遠(yuǎn)距離時(shí)需要先使用BLE進(jìn)行車輛喚醒及授權(quán)。

（3）NFC（近場(chǎng)通信）：NFC 鑰匙必須貼在車上感應(yīng)器1-2厘米的距離進(jìn)行刷卡才能感應(yīng)到從而開鎖，在手機(jī)沒(méi)電等特殊情況下，可以采用NFC解鎖、啟動(dòng)車輛，因?yàn)榧词故謾C(jī)沒(méi)有電NFC功能也是好用的(這個(gè)我之前不知道)。

數(shù)字鑰匙的工作過(guò)程：

（1）80 米范圍內(nèi)可以先用車內(nèi)藍(lán)牙模塊掃描手機(jī)進(jìn)行藍(lán)牙連接和身份認(rèn)證以及藍(lán)牙粗略測(cè)距，同時(shí)喚醒UWB功能。

（2）10-20米范圍 UWB 啟動(dòng)定位和測(cè)距功能。

（3）在3-10米的范圍內(nèi)設(shè)置為迎賓區(qū)，可觸發(fā)車輛進(jìn)行迎賓功能的車燈打開或者喇叭提示方便車主找車；走到距車 6 米的距離時(shí)，車內(nèi)照明自動(dòng)開啟。

（4）當(dāng)走到 1-3 米的范圍內(nèi)可以設(shè)置為解鎖區(qū)，可自動(dòng)解鎖車門，自動(dòng)調(diào)節(jié)座椅高度，后視鏡折疊自動(dòng)開啟。

（5）當(dāng)車主進(jìn)入到車內(nèi)，車內(nèi)UWB錨點(diǎn)掃描到手機(jī)UWB信號(hào)時(shí)，按下啟動(dòng)鍵可以實(shí)現(xiàn)車輛的啟動(dòng)（掃描不到則無(wú)法啟動(dòng)）。

用戶使用場(chǎng)景：

（1）數(shù)字鑰匙授權(quán)：

車主可以通過(guò)手機(jī)APP將數(shù)字鑰匙授權(quán)給其他用戶，被授權(quán)人可以直接通過(guò)被授權(quán)手機(jī)進(jìn)入和啟動(dòng)車輛。

（2）無(wú)鑰匙進(jìn)入與無(wú)鑰匙啟動(dòng)系統(tǒng)：用戶攜帶具備數(shù)字鑰匙功能的手機(jī)。

（3）無(wú)鑰匙進(jìn)入與無(wú)鑰匙啟動(dòng)系統(tǒng)：用戶攜帶具備數(shù)字鑰匙功能的手機(jī)，但是手機(jī)沒(méi)有電。

數(shù)字鑰匙系統(tǒng)構(gòu)成：

一般包括5個(gè)UWB模塊、1個(gè)BLE模塊以及兩個(gè)NFC模塊，具體的模塊數(shù)量需要根據(jù)主機(jī)廠的功能要求及系統(tǒng)供應(yīng)商如大陸、科士達(dá)的技術(shù)特點(diǎn)共同確定。

技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

第三代數(shù)字鑰匙增加了UWB功能，其定位精度和安全性均高于藍(lán)牙，定位覆蓋范圍大于 NFC，因此是實(shí)現(xiàn)汽車數(shù)字鑰匙最優(yōu)的技術(shù)。

（1）定位精度：藍(lán)牙主要是靠識(shí)別信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)測(cè)距，所以定位的精度較低一般是1-3 米，10m 以外藍(lán)牙定位就沒(méi)有精度可言了，因此定位精度低是藍(lán)牙鑰匙最大的缺陷；UWB 主要通過(guò) TOF 飛行時(shí)間來(lái)測(cè)距，因此定位精度高，可達(dá)到10-30cm，可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位。

（2）定位覆蓋范圍：NFC 只能在離感應(yīng)設(shè)備1-2cm處刷卡（或者刷手機(jī)）感應(yīng)，作用距離十分有限；藍(lán)牙只能在10m之內(nèi)達(dá)到相對(duì)可靠的定位效果，現(xiàn)有藍(lán)牙鑰匙能做到10 米定位范圍已經(jīng)非常不容易了；而UWB能很輕松做到10米以上厘米級(jí)定位功能，能夠?qū)崿F(xiàn)迎賓、照明開啟等更多功能。

（3）安全性：PEPS、藍(lán)牙、NFC 都面臨的問(wèn)題是不能防止中繼攻擊——但是 UWB信號(hào)中加入了安全時(shí)間戳，只有與接收端的滾碼相匹配后才能得到對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳，進(jìn)而解鎖車輛，極大地提升了UWB數(shù)字鑰匙的防中繼攻擊能力；另外因?yàn)閁WB能在30米范圍內(nèi)精確定位鑰匙位置，系統(tǒng)也會(huì)判定車鑰匙不在有效范圍內(nèi)，如此一來(lái)攻擊者便無(wú)法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行欺騙。

UWB的定位算法:

UWB目前有三種比較成熟的定位算法，TOA（Time of Arrival，到達(dá)時(shí)間）、TDOA （Time Difference of Arrival，到達(dá)時(shí)間差）和AOA（Angel of Arrival，到達(dá)角度）。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，一般會(huì)采用融合三種定位方法的混合定位方案，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)定位性能。

（1）TOF（Time of flight）：通過(guò)測(cè)量UWB信號(hào)在基站與標(biāo)簽之間飛行的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距。

（2）TDOA（Time Difference of Arrival）：利用UWB信號(hào)由標(biāo)簽到達(dá)各個(gè)基站的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行定位。

（3）PDOA（Phase Difference Of Arrival）：利用到達(dá)角相位來(lái)測(cè)量基站與標(biāo)簽之間方位關(guān)系。

TOA采用圓周定位法（如下圖），通過(guò)測(cè)量移動(dòng)終端與三個(gè)或更多UWB基站之間的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。利用信號(hào)從發(fā)出到接收的時(shí)間乘以電磁波的傳播速度可以得出距離(S=V×t)。通過(guò)三圓相交于一點(diǎn)可確定移動(dòng)終端的位置。然而由于多徑、噪聲等現(xiàn)象存在，會(huì)造成多圓無(wú)法相交或相交不是一個(gè)點(diǎn)而是一個(gè)區(qū)域，因此實(shí)際上很少單獨(dú)使用TOA定位，而是綜合使用三種方法

UWB其它應(yīng)用場(chǎng)景：

（1）CPD車內(nèi)兒童存在檢測(cè)：

歐洲新車評(píng)估計(jì)劃（E-NCAP）決定從 2023 年開始將車內(nèi)兒童存在檢測(cè)（CPD, Child Presence Detection）納入測(cè)評(píng)汽車的評(píng)分系統(tǒng)；中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）正在研究在2025版規(guī)程中加入CPD測(cè)試項(xiàng)目，為安裝該裝置的車輛提供加分項(xiàng)。業(yè)內(nèi)一般都是用60GHz毫米波雷達(dá)來(lái)做，還有一些方案是用攝像頭來(lái)做，上述方案的缺陷在于成本較高，以及用攝像頭來(lái)做的話有隱私保護(hù)問(wèn)題。UWB 在 50-60年代在軍用用作探地雷達(dá)，UWB 雷達(dá)多普勒效應(yīng)可以探測(cè)到人體呼吸非常小的動(dòng)作，因此可以用于活體檢測(cè)。NXP 聯(lián)合國(guó)內(nèi)方案商做出了CPD系統(tǒng)，車廠反饋不錯(cuò)。

（2）替代腳踢雷達(dá)：

在汽車腳踢尾廂門的腳踢雷達(dá)應(yīng)用中，傳統(tǒng)的方案是超聲波和電容感應(yīng)，但現(xiàn)有腳踢雷達(dá)現(xiàn)在體驗(yàn)不好，主要問(wèn)題在于覆蓋范圍和靈敏度，UWB 是全向天線靈敏度很高，并且可以在30m范圍內(nèi)能夠做到厘米級(jí)精度，體驗(yàn)比傳統(tǒng)方案好很多。在人雙手拿著東西時(shí)，用腳在后保險(xiǎn)杠下踢一下或來(lái)個(gè)掃堂腿，可以方便的開關(guān)尾箱門，這已經(jīng)成為很多車型的舒適性配置。腳踢尾箱技術(shù)也有不同的實(shí)現(xiàn)方案，下面做簡(jiǎn)單比較。

現(xiàn)在大部分腳踢尾箱技術(shù)采用電容傳感器方案。通過(guò)在車尾保險(xiǎn)杠內(nèi)放兩條電容天線，通過(guò)電容變化可識(shí)別人是否有踢腿動(dòng)作，同時(shí)結(jié)合車鑰匙是否在車尾區(qū)域的定位，判斷是否要執(zhí)行開閉尾門的動(dòng)作。電容腳踢尾箱方案價(jià)格較便宜，但一般認(rèn)為工作不夠穩(wěn)定，容易誤觸發(fā)或失靈。從網(wǎng)上能查到較多車主的反饋，例如：腳踢不夠靈敏經(jīng)常踢不開，下雨時(shí)尤其嚴(yán)重；或者在洗車的時(shí)候人從尾門走過(guò)時(shí)，會(huì)誤觸發(fā)電動(dòng)尾門開關(guān)自動(dòng)打開后備箱。理論上電容方案對(duì)電磁干擾也較為敏感，當(dāng)周邊電磁環(huán)境復(fù)雜時(shí)容易失靈。

毫米波雷達(dá)是一種備選替代方案，通過(guò)對(duì)毫米波雷達(dá)回波的分析，可以有效檢測(cè)踢腿的動(dòng)作。并且毫米波不受周邊電磁環(huán)境的干擾，雨水的影響也不大。目前車載毫米波腳踢尾箱雷達(dá)最大的問(wèn)題是價(jià)格較昂貴（相比電容方案和UWB雷達(dá)方案）。

UWB雷達(dá)提供了另一種選項(xiàng)。穩(wěn)定性足夠高（相比電容方案），成本適中（比電容方案貴，比毫米波方案便宜），低功耗（低于毫米波雷達(dá)）。

UWB也可以用于具備自動(dòng)開啟功能的車門在開啟時(shí)識(shí)別障礙物以及車輛自動(dòng)泊車等工況。