精準定位，讓未來觸手可及的UWB技術

UWB超寬帶技術對于不關注通信領域的朋友來說，應該還算一個新鮮詞匯，相信有不少人都是都是通過前幾年（2019 年）Apple發(fā)布的Airtag上對其有所了解的。在Apple對于Airtag大致是這么描述的：AirTag 利用 UWB 技術提供高精度的定位功能，使得用戶能夠精確地找到與其 iPhone 配對的 AirTag，其中搭載了支持 UWB 的 U1 芯片。UWB 技術的優(yōu)勢在于其定位精度、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)于其他無線定位技術，如藍牙、Wi-Fi 和 RFID。

今天我們就再來和各位聊聊UWB技術，不過放心，我們不是來聊Apple的UWB技術（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線載波通信技術的芯片，它通過極短的電磁脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，并計算從接收器和發(fā)射器之間的時間差來確定物體的位置，可以在幾厘米到幾毫米的范圍內(nèi)定位目標。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”。

與不少最近熱門的技術一樣，UWB（Ultra-Wideband）技術也不是最新才出現(xiàn)的，同樣是“科技考古”和“軍轉民”的產(chǎn)物。其起源于上世紀60年代，UWB技術最初用于軍事領域，特別是在雷達和定位系統(tǒng)中。由于其寬頻帶特性和低功率傳輸，UWB信號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)結束，許多軍事技術開始轉向民用。UWB技術也逐漸被應用于商業(yè)領域，如無線通信、無線傳感器網(wǎng)絡和定位系統(tǒng)。2002年，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）批準了UWB技術在民用領域的使用，為UWB技術的發(fā)展和應用奠定了基礎。此后，其他國家和地區(qū)也陸續(xù)批準了UWB技術的民用使用，而為了進一步推動UWB技術的標準化，國際電信聯(lián)盟（ITU）和歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）等組織開始制定相關的國際標準。這些標準包括物理層（PHY）和數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）的技術規(guī)范，為UWB設備的研發(fā)和生產(chǎn)提供了依據(jù)。而到如今，隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能設備的快速發(fā)展，UWB技術開始應用于更多新興領域。例如，UWB技術可以用于精確室內(nèi)定位、無線充電、智能家居設備之間的通信等。那么UWB是如何做到精確定位的呢？    

要想了解UWB芯片為什么能實現(xiàn)精準的定位，就要先了解到兩個UWB領域簡單的基礎概念：錨點和標簽。

錨點通常就是固定的UWB設備。

標簽通常是指移動的UWB設備。

錨點和標簽可交換信息，以便確定兩者之間的距離。標簽的確切位置可通過與多個錨點通信來確定。一些設備可作為錨點，也可作為標簽。例如，當兩個移動手機使用UWB來計算相互之間的距離時，它們可以在計算過程中轉化角色，交替地用作標簽和錨點。

UWB定位技術主要基于三種原理：雙向測距（TWR）、到達時間差（TDoA）和到達相位差（PDoA），每種原理都有其獨特的應用場景和優(yōu)勢。

首先，我們先來看看雙向測距（TWR）技術。其原理十分直觀就是通過測量信號往返于標簽和錨點之間的時間（即往返時間），并乘以光速，來計算兩者之間的距離。在具體的實現(xiàn)上，第一步是由設備A（發(fā)起者）發(fā)送一個特殊的UWB脈沖信號給設備B（接收者）用于初始化；第二步為第一輪時間戳記錄，設備A在發(fā)送信號時記錄下時間戳T1，設備B在接收到信號時記錄下時間戳T2；第三步，為建立應答信號，設備B在接收到信號后，會立即發(fā)送一個應答信號給設備A，并在發(fā)送時記錄下時間戳T3；第四步會記錄第二輪時間戳，設備A在接收到應答信號時記錄下時間戳T4；而最后一步，就是計算距離，設備A和設備B通過交換這些時間戳，可以計算出信號在兩個方向上的傳播時間。假設信號在兩個方向上的傳播速度相同，則可以計算出兩個設備之間的距離。    

這種雙向測距（TWR）技術通常被用在車輛無鑰匙進入系統(tǒng)之中，其優(yōu)勢是精度較高，且系統(tǒng)簡單。

其次，另一種原理為到達時間差（TDoA）技術。TDoA（Time Difference of Arrival，到達時間差）和反向TDoA方法的工作原理與GPS定位系統(tǒng)相似，通過在固定位置部署一系列的參考點，即“錨點”，并確保這些錨點在時間上精確同步。在TDoA系統(tǒng)中，移動設備會定期發(fā)送信號，當錨點接收到這些信號時，它們會記錄下基于共同同步時鐘的時間戳。隨后，這些時間戳會被發(fā)送到一個中央定位引擎，該引擎會利用多點定位算法和接收到的信號的時間差來確定移動設備的位置，從而得出移動設備的二維（2D）或三維（3D）坐標。    

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，錨點會發(fā)送同步信號，這些信號具有預定或已知的偏移量，以防止信號間的干擾。移動設備接收到這些信號后，會使用TDoA技術和多點定位算法來計算自己的位置。這種方法使得移動設備能夠獨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測距技術，到達相位差（Phase Difference of Arrival, PDoA）是一種基于相位測量的定位技術，它結合了兩個設備之間的距離測量和方位角測量。通過這種結合，可以在沒有其他基礎設施輔助的情況下計算兩個設備之間的相對位置。    

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

信號發(fā)射，一個帶有UWB發(fā)射器的移動設備（稱為標簽）向周圍的多個接收器（稱為錨點）發(fā)送UWB信號；信號接收，每個錨點接收到標簽發(fā)出的UWB信號，并記錄下接收到信號的相位信息；相位差計算，通過比較不同錨點接收到的信號的相位差，可以計算出標簽相對于每個錨點的相對位置。相位差是由于標簽到每個錨點的距離不同導致的；定位算法，利用三角測量或其他幾何算法，結合錨點的位置信息和相位差數(shù)據(jù)，計算出標簽的確切位置。

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

隨著UWB技術的不斷發(fā)展和完善，我們可以期待更多創(chuàng)新應用的出現(xiàn)。例如，在自動駕駛領域，UWB技術可以用于實現(xiàn)車輛之間的精確距離測量和位置感知，從而提高自動駕駛的安全性；在智慧城市領域，UWB技術可以用于構建高精度室內(nèi)外定位系統(tǒng)，為市民提供更加便捷的生活服務；在智能制造領域，UWB技術可以用于實現(xiàn)設備的精準定位和跟蹤，提高生產(chǎn)效率和安全性。隨著技術的不斷進步和應用場景的不斷拓展，相信UWB技術將會在未來發(fā)揮更大的作用，為人類社會帶來更多的便利和福祉。