带你了解UWB定位技术 - 起源与发展

UWB(Ultra-Wide Band，超宽频)技术的起源可以追溯到20世纪60年代，UWB技术最初由美国军方开发，主要用于雷达系统和遥感领域。随着技术的不断发展，UWB技术逐渐从军事领域转向民用发展。UWB技术凭借其高速的数据传输能力、高精度的定位能力、低功耗、低成本以及良好的穿透性等特点，在多个领域得到了广泛应用。例如，在智能家居、物联网、公共安全、应急救援、智慧工厂以及医疗健康等领域，UWB技术都展现出了巨大的应用潜力。

1960年代，人们首次开发出UWB，将其用于雷达应用。后来，该技术经过调整，用作正交频分复用(OFDM)技术，并在IEEE.15.3中标准化为速度高达480 Mbps的超高数据速率传输技术。在这个容量方面，该技术与WiFi直接竞争，但WiFi很快使其数据传输功能相形见绌，使得UWB在数据传输用例中退居二线。

基于脉冲无线电技术，UWB的下一个角色则成功得多。如IEEE 802.15.4a中指定的，它使用2ns脉冲来测量飞行时间和到达角的值。 不久后，其安全功能通过IEEE 802.15.4z中指定的扩展得到增强(在PHY/RF级别)，这使其成为独特的安全精密测距和感应技术。

使用智能手机作为智能钥匙来进入和启动汽车的想法极具吸引力，因此，汽车和智能手机行业的领先企业纷纷积极参与，在802.15.4z标准中定义安全机制。UWB为何能够以如此高的精度处理这么重要的用例?让我们来探索一下该技术的背景和环境。

什么使UWB成为与众不同?

与大多数无线技术不同，超宽带(UWB)通过脉冲无线电工作。它在宽频带上使用一系列脉冲，因此有时也被称为IR-UWB或脉冲无线电UWB。相比之下：卫星、Wi-Fi和蓝牙在窄频带上使用调制正弦波来传输信息。

UWB脉冲具有多个重要特点。首先，它们陡而窄，看起来像尖峰一样，即使是在嘈杂的通道环境中，也很容易识别。此外，与WiFi或BLE等其他技术相比，对于ToF测距，UWB脉冲更适合密集多径环境。由于主信号路径旁的对象会引起反射或中断，通过多个路径到达接收器的无线电信号在IR-UWB系统里很容易与主信号区分开来。但这件事在窄带系统里却非常耗时和困难。

UWB在无线电频谱的其他部分工作，远离聚集在2.4 GHz周围的繁忙ISM频段。用于定位和测距的UWB脉冲在6.5和8 GHz之间的频率范围内工作，不会干扰频谱其他频段发生的无线传输。这意味着UWB能够与现在最流行的无线形式共存，包括卫星导航、Wi-Fi和蓝牙。

在典型功率级工作时，距离最长可达10米左右。但如果使用较高功率脉冲，UWB的距离甚至可达200米。UWB通信还可以传输数据，其中UWB数据包的有效载荷部分以大约7 Mbps的速率发送数据，并且可以继续加速，最高可达32 Mbps。

现在，UWB使用调制脉冲序列，持续时间为2ns，非常短。脉冲间距可以相同，也可以不同。脉冲重复频率(PRF)从每秒数十万脉冲到每秒数十亿脉冲不等。通常支持的PRF是62.4 MHz和/或124.8 MHz，分别称为PRF64和PRF128。UWB的调制技术包括脉冲位置调制和二进制相移键控。

1. 智能手机与汽车领域

智能手机：随着高通等厂商发布用于手机的UWB芯片套片，安卓手机厂商普及UWB的速度加快。UWB技术在智能手机中的应用包括数字车钥匙、室内导航、物品追踪等，提高了用户体验和便利性。

汽车：新能源汽车品牌如特斯拉已经全面普及UWB数字车钥匙，而问界M9等车型也将基于UWB能力的“迎宾”系统作为卖点。UWB技术能够实现车辆与手机之间的精确定位和通信，提升车辆使用的便捷性和安全性。

2. 智能家居与物联网

智能家居：UWB技术可以应用于智能家居系统，实现家具、家电等设备的精确定位和控制。通过安装UWB芯片和基站，用户可以轻松找到家中的设备，并实现智能化的控制和管理。

物联网：在物联网领域，UWB技术可以用于实现物品追踪、位置管理等功能。例如，在仓库、医院等需要严格管理物品的场所，UWB技术可以实时获取物品的位置信息，提高管理效率。

3. 公共安全与应急救援

人员定位与轨迹追踪：在监狱、工厂等需要严格监控人员活动的场所，UWB技术可以实现高精度的人员定位和轨迹追踪。通过在人员身上安装UWB芯片并布置基站或锚点，系统可以实时获取人员的位置信息和运动轨迹，保障场所的安全和秩序。

应急救援：在应急救援领域，UWB技术可以用于快速定位被困人员或失踪者，提高救援效率和成功率。

4. 智慧工厂与工业自动化

智能制造：在智慧工厂和工业自动化领域，UWB技术可以用于实现设备的精确定位和通信。通过安装UWB芯片和基站，系统可以实时获取设备的位置信息和运行状态，提高生产效率和安全性。

物流管理：在仓储物流领域，UWB技术可以用于实现货物的实时追踪和定位。通过在货物上安装UWB芯片，系统可以实时获取货物的位置信息，提高物流管理的效率和准确性。

5. 医疗健康

手术器械与病人管理：在医疗领域，UWB技术可以实现手术器械、病人等的精准定位和管理。通过安装UWB芯片和基站，医院可以实时获取手术器械和病人的位置信息，提高手术效率和安全性。

健康监测：UWB技术还可以用于健康监测领域，如实现呼吸检测、活体检测等功能，为医疗健康领域提供新的解决方案。