UWB定位技术

什么是UWB

超宽带（Ultra Wide-Band，UWB）是一种新型的无线通信技术，它主要用于低功耗数据快速传输以及室内静止或移动物体/人的定位跟踪与导航。

UWB技术传输速率高（速率最高可达1000Mbps以上）、发射功率较低、穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术，并无载波。

UWB采用的频谱范围为3.1 GHz-10.6GHz，拥用500MHz以上的带宽，不容易被干扰，能提供比其他室内定位技术更精准的定位能力。拿iPhone 11来说，UWB能让iPhone 11精确定位其他配备UWB技术的Apple设备。

一般的通信体制都是利用一个高频载波来调制一个窄带信号，通信信号的实际占用带宽并不高。

而UWB不同于传统的通信技术，它通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来实现无线传输的。由于脉冲时间宽度极短，因此可以实现频谱上的超宽带：使用的带宽在500MHz以上。

FCC（美国联邦通信委员会）为UWB分配了 3.1~10.6 GHz共 7.5 GHz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，实现低功耗水平上的快速数据传输。
由于UWB脉冲的时间宽度极短，因此也可以采用高精度定时来进行距离测算。

UWB测距原理

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。
（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。
（3）PDOA（Phase Difference Of Arrival）：利用到达角相位来测量基站与标签之间方位关系。

双向飞行时间法（TW-TOF,two way-time of flight）每个模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳 。模块A的发射机在其时间戳上的Ta1发射请求性质的脉冲信号，模块B在Tb2时刻发射一个响应性质的信号，被模块A在自己的时间戳Ta2时刻接收。有次可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，从而确定飞行距离S。

S=Cx[(Ta2-Ta1)-(Tb2-Tb1)] (C为光速)
其中Tb2-Tb1为模块B处理数据反应时间

TOF测距方法属于双向测距技术，它主要利用信号在两个异步收发机（Transceiver）之间飞行时间来测量节点间的距离。因为在视距视线环境下，基于TOF测距方法是随距离呈线性关系，所以结果会更加精准。我们将发送端发出的数据包和接收回应的时间间记为TTOT,接收端收到数据包和发出回应的时间间隔记为TTAT,那么数据包在空中单向飞行的时间TTOF可以计算为：TTOF=(TTOT-TTAT)/2

然后根据TTOF与电磁波传播速度的成绩便可计算出两点间的距离D=CxTTOF

TOF测距方法和两个关键侧约束：

1、发送设备和接收设备必须始终同步

2、接收设备提供信号的传输时间的长短

为了实现始终同步，TOF测距方法采用了始终偏移量啦解决始终同步问题，单由于TOF测距方法的时间以来与本地的远程几点，侧距精度容易受两端节点中的始终偏移量的影响。为了减少此类错误的影响，这里采用反向测量方法，即远程节点发送数据包，本地节点接收数据包，并自动响应。通过平均正向和反向多次测量的平均值，减少对任何始终偏移量的影响，从而减少测距误差。

知道了UWB的测距原理，再来了解UWB的室内定位原理就很容易了。
UWB的室内定位功能和卫星原理很相似，就是通过室内布置4个已知坐标的定位基站，需要定位的设备携带定位标签，标签按照一定的频率发射脉冲，不断和4个已知位置的基站进行测距，通过一定的精确算法定出标签的位置！

遮挡对定位的影响

遮挡主要指室内定位UWB基站和定位标签之间存在障碍物，阻碍了信号直接被互相接收，从而影响定位。

遮挡对UWB定位的影响主要分以下几种情形

1、实体墙：一睹实体墙的这种遮挡将使得UWB信号衰减60-70%定位精度误差上升30厘米左右，两睹或者两睹以上的实体墙遮挡，将使得UWB无法定位。

2、钢板：钢铁对UWB脉冲信号吸收很严重，将使得UWB无法定位。

3、玻璃：玻璃遮挡对UWB定位精度没太大影响。

4、木板或纸板：一般厚度10厘米左右的木板或纸板对UWB定位精度没太大影响。

5、电线杆或树木：电线杆或者书面遮挡时需要看他们之间距离基站或者标签的距离，和基站和标签的相对距离比较是否很小，比如，基站和定位标签距离50米，电线杆或者树木正好在两者中间，25米处，这种遮挡就无大的影响，如离基站或者标签距离很近小于1米，影响就很大。

UWB技术和我们现在常用的定位技术有什么不同

我们现在常用的定位技术，主要包括卫星定位和基站定位。
卫星定位，是利用人造地球卫星进行点位测量的技术，也是目前使用最为广泛、最受用户欢迎的定位技术。它的特点非常突出，就是精度高、速度快、使用成本低。

大家所熟知的美国的全球定位系统（GPS）、中国的北斗(BDS)、欧洲的伽利略(Galileo)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)，都是卫星定位系统。
基站定位的原理和雷达有相似之处。雷达定位大家都知道，就是发射雷达波，根据目标的反射，进行空间位置测算。

基站定位的话，基站就相当于是一个“雷达”。
通常，在城市中，一部手机会在多个基站的信号覆盖之下。手机会对不同基站的下行导频信号进行“测量”，得到各个基站的信号TOA（到达时刻）或TDOA（到达时间差）。根据这个测量结果，结合基站的坐标，就能够计算出手机的坐标值。
画个图，一看就明白了：

所有上述这些定位手段，都有一个明显的缺点，就是无法穿透建筑物，不能实现室内定位。
卫星定位，需要接收机接收到足够的卫星信号。当进入室内，或有遮挡时，卫星信号很微弱，无法有效定位。


上图为手机在室外接收到的GPS定位信号
下图为手机在室内接收到的GPS定位信号

从图示可以看出，当发现的卫星数量降低时，定位误差从10米增加到66米。
一方面，卫星和基站定位技术无法满足室内定位的需求。另一方面，室内定位的业务场景却越来越多，例如地下车库导航、商场寻找店铺和商品，甚至儿童走失，都对室内定位有迫切需求。
在需求持续上升的背景下，人们开发了一系列技术，尝试利用其它类型的锚节点来提供定位能力。这就包括了Wi-Fi，蓝牙，UWB等技术。

相比Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等定位技术，UWB 具备以下优势：

1）定位精度高
UWB的定位精密度更高能达厘米级。带宽决定了信号距离的分辨能力（成正比关系）。超宽带的带宽很宽，这给超宽带系统带来了一个优势，即它可以在距离分辨能力上高于其他传统系统，而分辨能力的精度在特定条件下是传统系统的百倍以上。超宽带脉冲信号的宽带在纳秒级，定位精确度通常小于几厘米。

2）安全性高
UWB 的发射功率低，信号能够很好地隐蔽在其他类型信号和环境噪声之中，传统的接收机无法识别和接收，必须采用与发射端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调，系统具有较强的系统安全性。

3）系统稳定性和抗干扰能力强
从射频机制层面来说，UWB 发射的脉冲波抗干扰能力就比连续的电磁波强，并且UWB 工作的频段在3GHz-10GHz，相比2.4G 频段的无线定位技术，外界的干扰信号也少很多。

4）传输速率高
信道容量与带宽成正比，UWB 具备较宽的带宽，具备较高的传输速率高，最高可达1000Mbps以上。

5）功耗较低
超宽带无线电具有的1GHz 以上的射频带宽，发射时需要的平均功率很低。特别是在短距离通信应用中，UWB 发射机的发射功率普遍低于1mW；较低的发射功率可以延长系统的
工作时间，而且发射功率较低，对人体的电磁波辐射也会很小。

6）带宽极宽
拥用500MHz以上的带宽。

7）低成本
工程简单造价便宜。

UWB的芯片原厂

目前全球UWB定位技术主要行业巨头有：英国Ubisense、美国Time domain、Zebra、爱尔兰DecaWave （DW1000芯片）、荷兰NXP等，国内中海达、浩云科技、精位科技等数十家企业也开始风云乍起，迎接市场的红利期。

1、英国Ubisense

Ubisense成立于2003年1月，来自剑桥大学的工程师队伍，Ubisense UWB的显著特点是精确可靠的实时定位，有源射频标签适用于室内/户外环境且高精度，可达到15厘米，基座设施可互相替换，具备高可靠性（两个感应器跟踪三维定位），为客户端提供成熟的软件平台。应用范围包括物流、工业、危险环境、医疗保健、军事等。

2、美国Time domain

公司的PLUS超频带UWB及时定位系统由标签、阅读器、同步分配面板、天线和定位软件组成。2009年底，Time Domain公司就推出欧式系统，中心频率为7.3Hz。欧式系统中用户可以动态地改变标签的发射频率（1~10Hz）和操作模式（活跃或者待机）。

3、美国Zebra

Zebra Technologies为美国大学生橄榄球Senior Bowl比赛提供有源UWB标签、读卡器以及Zebra软件。Zebra软件读取数据后，将计算诸如每个球员跑步的速度，其他球员与该球员的距离，以及抛球的速度和旋转度、高度、距离等信息。然后，这些数据将转发给Senior Bowl的管理软件，通过社交媒体向粉丝和媒体展示。这些信息不仅可以用来识别球员的优缺点，还可以判断球员是否疲劳。

4、爱尔兰DecaWave

Decawave是目前已知唯一支持IEEE 802.15.4的UWB定位芯片厂商。其提供低成本的芯片出售，零售价格在几美元。型号为DW1000的芯片，符合IEEE 802.15.4-2011 UWB标准协议（在理想条件下，最大可测量范围为300m）。应用于政府大楼、高货值仓库、超级市场、大型制造车间、医院、敬老院、幼儿园、酒店、大型餐馆、娱乐场所、监狱、住宅小区、物流公司、博物馆、科研机构、实验室等人员和重要物资的定位监控。

5、法国BeSpoon

BeSpoon的UWB RTLS 系统，易于部署，具有“容量大、标签待机时间长、覆盖范围广、定位精度高”等突出优点，可用于追踪工厂中成百上千的产品批次，或查询仓库中叉车、工具、栈板的实时位置。本系统适用于各类工业环境，即便在钣金车间这类多障碍、强散射的不利环境中，系统表现依然良好。

6、荷兰恩智浦

恩智浦将UWB应用在了汽车电子领域。日前一款基于大众Arteon车型打造的概念车于德国汉堡亮相，通过搭载恩智浦于今年7月发布的最新超宽带技术，该车在防盗保护、安全性和便利性等方面都有了大幅提升。尽管在这款车型上，超宽带技术的主要应用场景还限于验证车辆的防失窃，但未来应用将有无限可能。

7、成都精位科技

成都精位科技在UWB系统定位精度上可达1-10cm，射频最大射程400米，基站刷新率高达8000Hz、标签刷新率100Hz、大范围定位和三维实时定位。其高精度定位平台可根据不同的平台设置不同的属性，提供API开发包，在相对统一的软件平台基础上定制开发各种应用软件，可以直观形象的显示定位目标，定位场景，管理定位数据，以满足不同行业的需求。

8、北京清研讯科

清研讯科源于清华大学测试技术与仪器国家重点实验室，是一家工业无线精确定位产品及定位系统提供商。它提供的LocalSense精确定位解决方案，在生产环节中实时定位人员、车辆、资产的精确位置，并在定位基础上实现轨迹追踪、区域报警、摄像联动等增值服务功能。

9、中海达（郑州联睿电子）

中海达全资子公司联睿电子专注于区域高精度实时定位产品研发和相关技术服务，行业应用领域广泛涉及仓储物流、司法监狱、智慧城市等。日前，公司成功中标“华为UWB手机无线防盗器项目”，将为各大华为体验店提供可摆脱传统手机防盗链的无线防盗器产品，预计年采购数量万套以上。

10、广州浩云科技

深耕UWB技术多年的浩云科技，UWB技术可以做到室内或者室外精准定位到厘米级别，目前公司已经掌握了将UWB嵌入手机使用的技术，形成了成熟的产品，并将相关技术及产品应用在了智慧司法、核电等多个领域，其室内静态定位精度可达2厘米，高精度技术领先同行业1-2年。

11、南京唐恩科技

唐恩科技源自于南京大学软件新技术国家重点实验室的定位技术研发团队，推出了基于卫星、UWB、惯导和视觉技术的多种定位产品，在智能工厂和生产控制领域提供了多个解决方案，如智能工厂可视化、生产运维安全管理、工业车辆智能导肮等，提升行业的管理精细化和自动化水平。2014年率先与Decawave合作，推出国内首家UWB自研高精度定位系统。

12、上海环旭电子

公司是我国“超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术”的前列企业，其与飞思卡尔半导体有限公司在2006年就已推出了超宽带高清电视和家庭媒体中心等产品和系统。

13、上海仁微电子

高精度UWB定位系统已成功将UWB定位技术和行业需求相结合，推出了众多行业应用方案并成功应用，例如智慧监狱的犯人实时监管、智慧工地中施工人员的安全定位、智慧化工的危险区域重点监控、智慧执法办案中心定位手环防串供等功能。

14、南京沃旭通讯科技

公司成立于2012年，开始曾为中国移动布置Wi-Fi热点，后来转向UWB技术。沃旭是国内首家基于IR-UWB产品研发及应用的高新技术企业，也是“Decawave”官方指定的主要合作伙伴。2016年沃旭完成Pre-A轮融资。产品已通过国家无委、FCC，以及即将通过德国莱茵TUV功能安全认证。

15、深圳金溢科技

公司主要产品包括基于UWB定位和视频识别技术的全自动路内停车收费管理系统，并计划于2020年上半年进一步推动V2X、UWB和RFID等技术在香港和新加坡的推广和试点。

16、杭州新华三

公司打造的UWB解决方案首创WLAN和UWB融合，不仅能够提供WLAN功能，还可以进行UWB高精度人员、资产定位，新华三UWB定位方案具备端到端整体能力，其UWB定位方案可实现20-50厘米的定位精度，并具备低功耗、对信道衰落不敏感、穿透性强，强大的抗干扰性等优势，同时不会对同一环境下的其他设备产生干扰。

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转自 ITTBANK公众号