超宽带(Ultra Wideband，UWB)定位技术是一种基于无线通信的高精度定位技术。其核心原理是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲来传输数据，并通过测量这些脉冲在空气中的飞行时间来确定目标的位置。
具体来说，UWB定位技术主要采用以下几种方法实现定位：
- 飞行时间法(Time of Flight, TOF)：通过计算信号从发射器到接收器的往返时间来确定距离。这种方法可以提供较高的定位精度。
- 到达时间差法(Time Difference of Arrival, TDOA)：利用多个基站同时接收信号，并计算各基站接收到信号的时间差，从而确定目标位置。
- 双向飞行时间法(Two-Way Time of Flight, TW_TOF)：结合了TOF和TDOA的优点，通过双向测量信号的飞行时间来提高定位的准确性。
UWB技术具有以下几个显著优势：
- 高精度：UWB定位技术能够实现厘米级甚至毫米级的定位精度，适用于需要高精度定位的应用场景。
- 低功耗：由于其使用的脉冲宽度极窄，因此在能量消耗上非常低，适合于长时间运行的设备。
- 强抗干扰能力：UWB信号不易受到多路径效应的影响，这使得它在复杂环境中也能保持较高的定位精度。
- 安全性高：由于UWB信号的带宽非常宽，且频率分布广泛，因此很难被截获或干扰。
此外，UWB技术还具备高速数据传输的能力，这使其不仅适用于定位，还可以用于其他多种无线通信应用。
超宽带UWB定位技术凭借其高精度、低功耗、强抗干扰能力和高安全性等特点，在物联网、智能家居、工业自动化等多个领域得到了广泛应用和认可.
一、 超宽带UWB定位技术的最新进展是什么?
超宽带(UWB)定位技术的最新进展主要集中在以下几个方面：
- 毫米级精准定位：恩智浦与德国LaterationXYZ公司合作，实现了利用超宽带技术进行毫米级精准测距和定位的能力。这一突破使得在日常生活中可以实现更高的精度，这对于需要高精度定位的应用场景非常重要。
- 低功耗、高抗干扰能力的接收器芯片：在IEEE国际固态电路会议(IEEE ISSCC 2024)上，imec展示了其最新研发的低功耗UWB接收器芯片。该芯片具有极强的抗干扰能力，能够抵抗Wi-Fi和5G以上信号的干扰，比当前最先进的UWB设备提高了10倍。这种高抗干扰能力对于安全性要求高的应用环境(如汽车行业中的儿童存在检测系统)至关重要。
- 新的国家标准：2024年4月29日，国家工业与信息化部发布了《超宽带(UWB)设备无线电管理暂行规定》，正式确定了UWB无线电发射设备的射频技术要求。新版《规定》开放了7163MHz至8812MHz的频率范围用于UWB技术与设备的开发，并且信号带宽不少于500MHz，主要应用于短距离高速无线数据通信、定位、测距和感知等领域。这为UWB技术在中国的发展提供了明确的方向和标准。
二、 UWB定位技术在物联网中的应用案例有哪些?
UWB(超宽带)定位技术在物联网中的应用案例非常丰富，涵盖了多个行业和场景。以下是一些具体的应用案例：
在内蒙古通辽市霍林郭勒市的霍林河坑口电厂，云酷科技开发了一套基于UWB的人员定位系统。该系统旨在提高电厂的安全性和效率，通过高精度的定位技术来管理电厂内的工作人员，减少因人员不规范操作导致的安全事故。
UWB技术被广泛应用于智能车钥匙和智能家居领域。例如，飞睿智能推出的UWB标签模组方案可以用于智能车钥匙、智能门锁等设备，实现精准的定位跟踪与导航，并提供实时的位置信息管理功能。
UWB技术在工业自动化中也有重要应用。它能够实现对生产设备的高精度定位和监控，从而提高生产效率和安全性。
UWB技术在室内定位和电子围栏方面表现出色。通过部署UWB信号锚点，可以实现对室内静止或移动物体以及人的高精度定位，适用于商场、医院、机场等多种室内环境。
某家制造商利用UWB技术实现了运营的现代化和数字化转型。通过无线锚点将标签精确定位至厘米级范围，该制造商能够更有效地管理和优化其生产流程。
UWB技术还被应用于增强现实(AR)游戏和车辆数字钥匙等领域。通过高精度的定位和测距能力，UWB技术为这些应用场景提供了强大的支持。
三、 如何解决UWB定位技术中的多路径效应问题?
UWB(超宽带)定位技术在实际应用中，尤其是在室内环境中，常常会遇到多路径效应问题。多路径效应是指信号通过多个路径到达接收端，导致信号失真和误码率增加。为了解决这一问题，可以采取以下几种方法：
1. 天线设计与选择：
特殊天线设计：使用具有高增益的天线来提高信号质量，并采用扼流圈天线等特殊设计的天线来抑制多路径效应。
天线极化法：通过改变天线的极化方向，减少反射信号对定位精度的影响。
2. 信号处理技术：
窄相关技术和多路径削减技术MET：这些技术可以在信号处理阶段削弱多路径效应的影响，从而改善伪距观测值中的多路径误差。
延迟锁相环MEDLL：该技术能够有效消除多路径延迟，提高定位精度。
3. 优化基站布局：
基站位置优化：利用Powell共轭方向线性搜索优化算法，基于GDOP值最小化原则对基站的构型进行优化，从而提高定位精度。
地图精准测绘和基站坐标标定：确保基站的位置和坐标精确标定，以减少由于基站位置不准确而引起的多路径误差。
4. 多径抑制技术：
Rake接收技术：通过分集接收多个反射信号并进行合成，减少多径效应带来的影响。
空间分集技术：利用多个天线元素同时接收信号，通过算法合成最优信号，降低多径效应的影响。
5. 频偏校正技术：
精确的频偏校正：由于UWB信号传输速度极快，接收端可能存在一定的频偏。通过精确的频偏校正技术，可以提高接收端的解调性能，降低误码率。
四、 UWB定位技术的能耗效率与其他高精度定位技术相比如何?
UWB(超宽带)定位技术在能耗效率方面相较于其他高精度定位技术具有显著优势。根据多项证据，UWB技术通过使用短脉冲信号传输数据，其功耗非常低，这使得它在需要长时间运行的应用场景中表现出色。此外，UWB系统的周期性脉冲设计进一步降低了功耗，因为这些脉冲持续时间极短，一般在0.20ns到1.5ns之间，占空比非常低。
相比之下，传统的GPS和Wi-Fi等定位技术由于其较长的信号周期和较高的发射功率，通常会消耗更多的能量。因此，在电池供电的设备上，UWB技术能够显著延长系统的操作时间或在相同的传输功率限制下提供更广的覆盖范围。
尽管如此，为了满足物联网和可穿戴设备等应用场景对低功耗的需求，未来的研究将集中在进一步优化UWB芯片的功耗、改进电源管理策略以及开发更高效的通信协议等方面。这意味着虽然当前UWB技术已经表现出较低的能耗效率，但仍有改进空间以实现更高的能效。
五、 UWB定位技术的安全性和抗干扰能力的具体实现机制是什么?
UWB(超宽带)定位技术在安全性和抗干扰能力方面具有显著的优势，其具体实现机制如下：
- 宽带窄脉冲通讯技术：UWB系统采用宽带窄脉冲通讯技术，这种技术通过极短的脉冲宽度和高频率的信号传输，能够有效减少定位误差并提高系统的抗干扰能力。
- 多源数据融合：UWB系统通常结合多种数据源进行信息处理，这不仅提升了定位精度，还增强了系统的抗干扰能力。例如，通过将不同传感器的数据进行融合，可以更有效地抑制噪声和其他干扰因素。
- 时间序列信号处理技术：利用时间序列信号处理技术，可以对UWB信号进行更精细的分析和处理，从而进一步提高系统的抗干扰能力和定位精度。
- 低能量密度的信号：UWB信号具有较低的能量密度，这使得它不容易被其他无线设备所干扰。因此，在复杂的环境中也能提供稳定和可靠的定位结果。
- 深度学习模型的应用：结合深度学习模型，可以更好地抑制噪声和其他干扰因素，提高信号的信噪比，从而获得更准确的定位和识别结果。
- 高斯微分脉冲波形设计：通过选择适当的高斯脉冲波形，并利用不同的波形叠加算法，可以有效抑制窄带干扰。尽管这种设计的算法复杂且电路实现难度较大，但其性能良好，能够满足标准要求。
- 低功耗和高数据传输速率：UWB技术具备低功耗和高数据传输速率的特点，这不仅延长了设备的续航时间，还提高了系统的整体性能和抗干扰能力。
- 穿透能力强：UWB信号具有很强的穿透能力，可以在复杂环境中进行探测和定位，同时减少外界环境对信号的影响。
