技高一筹?深度解析高精度定位技术UWB

发布日期:2022.07.15     浏览次数:

   随着苹果公司具有追踪定位功能的AirTags产品火速蹿红,精准定位这一领域也受到了更多的科技企业关注,说到定位,大家可能都会想到手机地图APP里面的定位和导航功能,这些功能都是基于GPS,北斗等卫星定位的技术,在地下停车场,商场或者办公大楼这些室内的场所,往往都会面临信号弱无法使用的问题,所以人们急需一种高精度的室内定位技术,而AirTags使用的技术正是我们文章的主角UWB。



   所谓 UWB,就是(Ultra Wideband )超宽带,这是一种专为精准定位和安全通信而设计的技术。和 GPS 专注于室外定位不一样,UWB 更专注于室内定位。采用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行通信的方式,也称做脉冲无线电( Impulse Radio)、时域(Time Domain)或无载波(Carrier Free)通信。与普通二进制移相键控(BPSK)信号波形相比,UWB方式不利用余弦波进行载波调制而发送许多小于1ns的脉冲,因此这种通信方式占用带宽非常之宽,且由于频谱的功率密度极小,它具有通常扩频通信的特点。

 

FCC的规定中,为UWB 分配了3.1~10.6 GHz共7.5GHz频带,还对其辐射功率做出了比 FCC Part15.209更为严格的限制,将其限定-41.3dBm频带内。简而言之,这项技术通过超大带宽和低发射功率,实现了低功耗水平上的快速数据传输。

 

目前现有的室内定位技术已经有了wifi,zigbee,蓝牙,红外,RFID等等,那UWB相对于这些技术是否技高一筹?我们从以下几个维度来进行分析。

 

安全性

   由于UWB信号一般把信号能量分布在及宽的频带范围内,对一般通信系统而言,UWB信号相当于白噪声,采用编码加密后更难将脉冲检测出来。所以安全性高。

 

功耗

UWB采用间隙的脉冲来发送数据,脉冲持续时间仅有0.2ns~1.5ns之间,故功耗可以做到很低。

 

辐射

IR-UWB具有1GHz以上的频带宽度,极大的带宽保证了较低的发射功率。在短距离无线通信应用中,发射机发射的UWB信号功率要低于1mW,这大大延长了电池寿命,保证了较长的系统工作时间,同时对人体的辐射危害也更小。

 

抗干扰

UWB信号采用持续时间很短的窄脉冲,具有较强的时间和空间分辨率,系统的多径分辨率高,整个系统能够充分利用发射信号的能量。此外,UWB信号具有良好的抗多径干扰性能,对于信道衰减不敏感,接收机通过分级便可以获得很强的衰减能力,在室内或者建筑物比较密集的场合可以获得良好的定位效果。所以抗干扰能力强。

 

定位精度

冲激脉冲具有很高的定位精度,且采用超宽带无线电通信,具有极强的穿透能力,可在室内和地下实现精准定位。定位精度高。

 

数据传输速度

在传输距离内,利用宽频率带宽来换取高速的输出传输,其传输速率可达500Mbit/s以上。香农定理有解释高带宽传输速率越高。这是一个相当快的传输速度。

 

下图是简化的性能对比表格,可供参考;

 

定位技术

RFID

WIFI

Zigbee

蓝牙

UWB

定位精度

局域级

3-10米

5-10米

1-3米

10厘米-1米

工作距离

最佳6米内

最佳10米内

最佳20米内

最佳25米内

最佳50米内

功耗

极低

抗干扰性

安全性

穿透性

应用场景

区域进入判断

低精度

低精度

低精度

高精度

成本

 

UWB和其它定位技术的对比,目前,常用的UWB测距方法有三种,分别是:

 

(1)TOF(Time of flight):通过测量UWB信号在基站与标签之间飞行的时间来实现测距。

ToF   定位是基于测距的方式,标签和每个需要定位的基站发起测距,测距完成后进行位置计算,零维模式下,只需要和一个基站测距即可;一维模式下,至少需要和一个基站测距;二维模式下,一般需要需要三个或以上基站测距,特殊模式下可以和两个基站测距。三维需要和 四个基站进行测距;

 

(2)TDOA(Time Difference of Arrival):利用UWB信号由标签到达各个基站的时间差来进行定位。

TDOA算法是对TOA算法的改进,他不是直接利用信号到达时间,而是用多个基站接收到信号的时间差来确定移动台位置,与TOA算法相比他不需要加入专门的时间戳,定位精度也有所提高。TDOA值的获取一般有2种形式:

1种形式是利用移动台到达2个基站的时间TOA,取其差值来获得,这时仍需要基站时间的严格同步,但是当两基站间移动信道传输特性相似时,可减少由多径效应带来的误差;

2种形式是将一个移动台接收到的信号与另一个移动台接收到的信号进行相关运算,从而得到TDOA的值,这种算法可以在基站和移动台不同步时,估计出TDOA的值,由于实际应用中,往往很难做到基站与移动台的同步,所以利用相关估计得到TDOA值,再进行定位计算能获得较高精度。对于蜂窝网中的移动台定位而言,TDOA更具有实际意义,这种方法对网络的要求相对较低,并且定位精度较高,已经成为研究的热点。

 

3)AOA 定位方法,主要是测量信号移动台和基站之间的到达角度,以基站为起点形成的射线必经过移动台,两条射线的交点即为移动台的位置。

AoA 定位一般是基于相位差的方式计算出到达角度,一般不单独使用,由于AoA 涉及到角度分辨率的问题,若单纯AoA 定位,若离基站越远,定位精度就越差。AoA 可以配合ToF 测距时下定位,此模式下,单基站就可以完成定位。当然,也可以两个基站通过AoA实现定位。

算法的原理比较复杂,限于篇幅,我们将在后续详细介绍UWB的算法原理细节

 

UWB凭借其技术特性,搭配融合使用的算法,相对于其他定位技术确实技高一筹,那这样优秀的技术能够应用于那些场景了?

1、 商场导航定位。一座大型的商场,内部的结构空间复杂,那么UWB定位导航技术应用,将所有店铺配置基站并设置多维坐标,客人是可移动的标签,指引客人快速到达目的地。(在大型的商场再也不怕找不到心仪的店铺了)

 

2、 大型停车场车位定位。定位建立多维坐标,指引车主快速找到停车点。

 

3、 超市物品导购。持有可移动的标签,推车或采购篮配置显示屏,快速选择心仪的商品并指引位置。

 

4、 机场、高铁站定位。UWB定位技术集成于机场或高铁站广播系统,并配有基站,旅客导航安检口或航空公司前台。

 

5、 智能家居。智能控制终端设备。

 

6、 物流仓储。定位货物

 

7、 建筑施工。准确监控施工者位置,预防安全事故。

 

8、 司法安全。特定区域禁止未授权人员进入。

 

9、 港口码头。货物管理与人员安全

 

10、疫情防控。公共场所禁止近距离接触。

 

由此可见UWB应用场景还是十分广泛的,昇润科技致力于为用户打造更加便捷好用的无线技术,也是第一时间切入UWB的研发工作,在其汽车智能钥匙项目中,使用到了UWB技术,并将其与BLE技术互相协作。

 

在车辆闭锁时,使用车身上感应系统的BLE天线来进行侦测,从而达到一个微安级别的功耗持续侦测,当车主携带智能钥匙从远到近靠近车辆时,在80到40米的范围内,车身上感应系统的BLE天线模块就能侦测到智能钥匙的BLE信号,从而唤醒车身的域控制器,根据BLE信号的强弱来做一个低精度的定位,使车辆进入迎宾状态,此时车主继续走近车辆,在10米到5米的范围内,车身上感应系统的UWB天线模块被唤醒,这个时候BLE定位停止,开始用UWB进行高精度的定位,能精确的感知车主具体站在哪一个车门前,并进行解锁,远近感应距离的划分,高低定位精度的切换,让BLE的低功耗与UWB的高精度,取长补短,完美配合,从而达到无感解锁的目的。

 

当然,除了依靠定位技术来解锁车门,UWB技术还能充当生物雷达,UWB生物雷达技术是一种使用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,与普通雷达相比,其具有强穿透力,抗干扰力,高精度,低功耗,适于近距离探测等诸多优势,非常适合用于生命探测领域。可以不需要任何电极或者传感器接触到生命体,实现了隔空的,无约束的检测到人体的呼吸与心跳等信息。

与传统的激光,红外探测,超声波探测技术相比,利用生物雷达检测生命体征信号,不受环境温度,热物体的影响,较好的解决激光,红外探测受温度影响严重,遇到物体阻挡失效及误报率高的问题,也克服了超声波探测受到环境杂物反射干扰及水,冰以及其他固体阻挡失效等问题,而在智能汽车领域,它不仅能帮助车主防范因疏忽大意导致将孩童或者宠物锁在车里的事故发生,还可以检测车主自身的生理状态,在特定时刻发出提醒,防止疲劳驾驶导致的行车事故发生。

 

UWB技术具有如此多的优势特性,在高精度定位技术上对比其他技术更是技高一筹,让我们更加的期待,他能像蓝牙技术一样普及,用科技改善人们的生活。