帶你了解UWB定位技術(shù) - 起源與發(fā)展

UWB(Ultra-Wide Band，超寬頻)技術(shù)的起源可以追溯到20世紀(jì)60年代，UWB技術(shù)最初由美國軍方開發(fā)，主要用于雷達(dá)系統(tǒng)和遙感領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，UWB技術(shù)逐漸從軍事領(lǐng)域轉(zhuǎn)向民用發(fā)展。UWB技術(shù)憑借其高速的數(shù)據(jù)傳輸能力、高精度的定位能力、低功耗、低成本以及良好的穿透性等特點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。例如，在智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、公共安全、應(yīng)急救援、智慧工廠以及醫(yī)療健康等領(lǐng)域，UWB技術(shù)都展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。

1960年代，人們首次開發(fā)出UWB，將其用于雷達(dá)應(yīng)用。后來，該技術(shù)經(jīng)過調(diào)整，用作正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)，并在IEEE.15.3中標(biāo)準(zhǔn)化為速度高達(dá)480 Mbps的超高數(shù)據(jù)速率傳輸技術(shù)。在這個(gè)容量方面，該技術(shù)與WiFi直接競爭，但WiFi很快使其數(shù)據(jù)傳輸功能相形見絀，使得UWB在數(shù)據(jù)傳輸用例中退居二線。

基于脈沖無線電技術(shù)，UWB的下一個(gè)角色則成功得多。如IEEE 802.15.4a中指定的，它使用2ns脈沖來測量飛行時(shí)間和到達(dá)角的值。 不久后，其安全功能通過IEEE 802.15.4z中指定的擴(kuò)展得到增強(qiáng)(在PHY/RF級別)，這使其成為獨(dú)特的安全精密測距和感應(yīng)技術(shù)。

使用智能手機(jī)作為智能鑰匙來進(jìn)入和啟動(dòng)汽車的想法極具吸引力，因此，汽車和智能手機(jī)行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)紛紛積極參與，在802.15.4z標(biāo)準(zhǔn)中定義安全機(jī)制。UWB為何能夠以如此高的精度處理這么重要的用例?讓我們來探索一下該技術(shù)的背景和環(huán)境。

什么使UWB成為與眾不同?

與大多數(shù)無線技術(shù)不同，超寬帶(UWB)通過脈沖無線電工作。它在寬頻帶上使用一系列脈沖，因此有時(shí)也被稱為IR-UWB或脈沖無線電UWB。相比之下：衛(wèi)星、Wi-Fi和藍(lán)牙在窄頻帶上使用調(diào)制正弦波來傳輸信息。

UWB脈沖具有多個(gè)重要特點(diǎn)。首先，它們陡而窄，看起來像尖峰一樣，即使是在嘈雜的通道環(huán)境中，也很容易識別。此外，與WiFi或BLE等其他技術(shù)相比，對于ToF測距，UWB脈沖更適合密集多徑環(huán)境。由于主信號路徑旁的對象會(huì)引起反射或中斷，通過多個(gè)路徑到達(dá)接收器的無線電信號在IR-UWB系統(tǒng)里很容易與主信號區(qū)分開來。但這件事在窄帶系統(tǒng)里卻非常耗時(shí)和困難。

UWB在無線電頻譜的其他部分工作，遠(yuǎn)離聚集在2.4 GHz周圍的繁忙ISM頻段。用于定位和測距的UWB脈沖在6.5和8 GHz之間的頻率范圍內(nèi)工作，不會(huì)干擾頻譜其他頻段發(fā)生的無線傳輸。這意味著UWB能夠與現(xiàn)在最流行的無線形式共存，包括衛(wèi)星導(dǎo)航、Wi-Fi和藍(lán)牙。

在典型功率級工作時(shí)，距離最長可達(dá)10米左右。但如果使用較高功率脈沖，UWB的距離甚至可達(dá)200米。UWB通信還可以傳輸數(shù)據(jù)，其中UWB數(shù)據(jù)包的有效載荷部分以大約7 Mbps的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，并且可以繼續(xù)加速，最高可達(dá)32 Mbps。

現(xiàn)在，UWB使用調(diào)制脈沖序列，持續(xù)時(shí)間為2ns，非常短。脈沖間距可以相同，也可以不同。脈沖重復(fù)頻率(PRF)從每秒數(shù)十萬脈沖到每秒數(shù)十億脈沖不等。通常支持的PRF是62.4 MHz和/或124.8 MHz，分別稱為PRF64和PRF128。UWB的調(diào)制技術(shù)包括脈沖位置調(diào)制和二進(jìn)制相移鍵控。

1. 智能手機(jī)與汽車領(lǐng)域

智能手機(jī)：隨著高通等廠商發(fā)布用于手機(jī)的UWB芯片套片，安卓手機(jī)廠商普及UWB的速度加快。UWB技術(shù)在智能手機(jī)中的應(yīng)用包括數(shù)字車鑰匙、室內(nèi)導(dǎo)航、物品追蹤等，提高了用戶體驗(yàn)和便利性。

汽車：新能源汽車品牌如特斯拉已經(jīng)全面普及UWB數(shù)字車鑰匙，而問界M9等車型也將基于UWB能力的“迎賓”系統(tǒng)作為賣點(diǎn)。UWB技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛與手機(jī)之間的精確定位和通信，提升車輛使用的便捷性和安全性。

2. 智能家居與物聯(lián)網(wǎng)

智能家居：UWB技術(shù)可以應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)家具、家電等設(shè)備的精確定位和控制。通過安裝UWB芯片和基站，用戶可以輕松找到家中的設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)智能化的控制和管理。

物聯(lián)網(wǎng)：在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，UWB技術(shù)可以用于實(shí)現(xiàn)物品追蹤、位置管理等功能。例如，在倉庫、醫(yī)院等需要嚴(yán)格管理物品的場所，UWB技術(shù)可以實(shí)時(shí)獲取物品的位置信息，提高管理效率。

3. 公共安全與應(yīng)急救援

人員定位與軌跡追蹤：在監(jiān)獄、工廠等需要嚴(yán)格監(jiān)控人員活動(dòng)的場所，UWB技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度的人員定位和軌跡追蹤。通過在人員身上安裝UWB芯片并布置基站或錨點(diǎn)，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取人員的位置信息和運(yùn)動(dòng)軌跡，保障場所的安全和秩序。

應(yīng)急救援：在應(yīng)急救援領(lǐng)域，UWB技術(shù)可以用于快速定位被困人員或失蹤者，提高救援效率和成功率。

4. 智慧工廠與工業(yè)自動(dòng)化

智能制造：在智慧工廠和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，UWB技術(shù)可以用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的精確定位和通信。通過安裝UWB芯片和基站，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的位置信息和運(yùn)行狀態(tài)，提高生產(chǎn)效率和安全性。

物流管理：在倉儲物流領(lǐng)域，UWB技術(shù)可以用于實(shí)現(xiàn)貨物的實(shí)時(shí)追蹤和定位。通過在貨物上安裝UWB芯片，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取貨物的位置信息，提高物流管理的效率和準(zhǔn)確性。

5. 醫(yī)療健康

手術(shù)器械與病人管理：在醫(yī)療領(lǐng)域，UWB技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械、病人等的精準(zhǔn)定位和管理。通過安裝UWB芯片和基站，醫(yī)院可以實(shí)時(shí)獲取手術(shù)器械和病人的位置信息，提高手術(shù)效率和安全性。

健康監(jiān)測：UWB技術(shù)還可以用于健康監(jiān)測領(lǐng)域，如實(shí)現(xiàn)呼吸檢測、活體檢測等功能，為醫(yī)療健康領(lǐng)域提供新的解決方案。