带你了解UWB定位技术 - 起源与发展

2024-09-30

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。

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