使用超宽带进行精确位置跟踪

全球定位系统 (GPS) 技术改变了世界。超宽带 (UWB) 位置跟踪功能也将如此。下面，我们将探讨 UWB 的快速更新、更短的延迟和 1 厘米的精度将如何使物联网 (IoT) 和移动设备能够准确跟踪并与个人、公共空间和工业应用中的数据结合。

首先，一点背景

年轻一代可能认为这是理所当然的，但今天人们惊叹于 GPS 技术及其将位置解析为导航辅助工具的能力。虽然最初是帮助士兵和特种部队执行秘密任务的军事技术，但它在今天的使用非常普遍，以至于使用传统的纸质地图不再像过去那样普遍。

GPS 于 1973 年启动，但直到 1993 年，所有 24 颗地球同步卫星都已就位，以支持一个真正可用的相关全球定位系统，该系统不需要用户发送信号。这对军方尤为重要，因为它通过消除可追踪的无线电信号来帮助保持许多任务的隐秘性。

早期担心外国军队可能利用美国开发的 GPS 系统导致了一项名为选择性可用性的计划，该计划限制了解决方案和有效性。选择性可用性持续了大约十年，而其他国家则创建了他们的全球定位系统，例如苏联的 GLONASS 和中国的北斗系统，以及欧洲的伽利略 GPS。当消除选择性可用性时，GPS可以达到约5M的位置准确性，从而使群众在驾驶时作为导航援助有用。随着 GPS 与手机的融合，地理定位的不断改进现在允许 GPS 系统获得大约 1 英尺（或 30 厘米以内）的空间分辨率。

手机信号塔允许服务提供商使用信号强度、信号塔之间的相位关系，以及现在的飞行时间 (ToF) 信息，这些信息可以衡量信号传输到范围内的不同信号塔所需的时间。这种三角测量技术提高了定位系统的准确性，现代设备甚至可以使用 Wi-Fi ®信标来帮助提高准确性。Bluetooth®和Wi -Fi的使用甚至允许在室内位置达到几米的定位精度。我对此进行了测试，发现当我在 Google 地球地图上覆盖我的位置时，它不仅会告诉我我在谁的房子里，还会精确定位到确切的房间。

在 GPS、蜂窝塔数据采集、信标和 Wi-Fi/蓝牙信号之间，12 英寸的分辨率非常适合许多需求，但由于技术进步、RF 频段的新用途以及现有技术的新应用，分辨率越来越高. 超宽带 (UWB) 技术可以提供详细的位置数据和低至 1 厘米分辨率的位置精度，正在获得广泛关注。称为微定位，我们现在可以以厘米级的精度实时定位和发现任何东西，因为 UWB 能够跨平台工作并将自己锚定在无线技术的世界中。

现代超宽带

在 2000 年代中期，IEEE 开始定义 UWB 规范，以增强微定位系统的准确性和针对多个目标的实时定位服务 (RTLS)。选择 UWB 是因为它是安全的，具有对噪声和杂散信号的高度免疫力，并且不受多径信号干扰。结果就是 IEEE 802.15.4a 和 802.15.4z 标准。

工作在 3.1GHz 至 10.6GHz 并使用正交频分复用 (OFDM)——具有重叠频谱特性的正交紧密间隔子载波，可以并行传输数据——UWB 可以穿透非金属墙壁和地板，并且不必在像5G这样的景象。UWB 也称为脉冲无线电（2 纳秒宽高振幅 500MHz 频带数据突发），与窄带相比，UWB 高于本底噪声并提供易于恢复和解码的信号（图 1）。

UWB 还提供比 GPS 技术更可靠、更安全和实时的数据。UWB位置数据每秒可更新1000次，比卫星导航系统快50倍。

由于 ToF 测量的准确性和宽带宽，多个设备可以同时进行通信和跟踪而不会受到干扰。这有助于消除限制人口密集区域性能的体育场效应，例如体育场内的 Wi-Fi。这也使得 UWB 可以嵌入到一系列新设备中，这些设备针对房屋、公寓、工厂和机场航站楼等公共场所的物联网和自动化技术。想象一下，在一个巨大的机场里查看您的手机可以找到您的朋友在哪里，或者在转机时您的登机口在哪里。

手机制造商和工业设备制造商已经在FIRa 联盟中合作，以平滑协议定义并消除互操作性问题。苹果和三星率先将 UWB 集成到他们的新手机中。该联盟正在构建结构以支持分层聚合接入点，这些接入点使用发起者和响应者序列来最大限度地减少延迟。个人区域网络可以在固定位置使用锚点来支持聚合、网关功能、路由功能以及到相邻接入点的对等切换，以实现从一个位置到另一个位置的无缝过渡。除了固定和移动节点发挥作用的公共访问位置外，UWB 技术还适用于工业功能。工业场所可以使用 UWB 标签来跟踪资产和库存，定位传送带上的物品，甚至发送关键数据，例如装有疫苗的容器的温度。

UWB 技术几乎允许任何传感器、致动器（固定或移动）在给定体积内与从体积空间移动到体积空间的移动设备共存。这包括访问基于云的服务，这些服务通常可以将更多的处理资源和人工智能 (AI) 用于关键任务，例如自动驾驶车辆、送货机器人、自主农业系统、无人机、接触者追踪，甚至患者定位-在护理机构中监测痴呆症和阿尔茨海默病患者。

UWB 产品和工具包

对于有兴趣实施 UWB 系统的设计人员，他们可以使用工具和组件来帮助教授技术、提供参考硬件、固件设计，并帮助确保系统符合行业标准。

基于DW1000 UWB 收发器 IC 并符合 IEEE802.15.4-2011，DWM1001C UWB 收发器模块支持高达 6.8Mbits/sec 的数据速率。DWM1004C 集成了一个 UWB 和蓝牙®天线、所有 RF 电路、Nordic Semiconductor nRF52832 MCU 和一个 3 轴加速度计。每种模式都可以配置为 RTLS 锚点或标签，还可以充当网络网关设备。

除了天线和信号调节组件之外，专门针对位置和距离测量的 UWB 演示和开发工具也在生产中。Qorvo MDEK1001开发套件是了解 RTLS 系统的绝佳起点。MDEK1001 开发套件为设计人员提供了必要的硬件、软件和开发环境，以快速评估 Qorvo 的 UWB 技术以用于可扩展的 RTLS。该套件包括 12 个 DWM1001-DEV 开发板，可配置为锚点、标签或桥接节点。

DWM1001 -DEV 模块开发板评估 DWM1001 模块的性能。设计人员可以使用 DWM1001-DEV 模块开发板来组装和评估 RTLS，包括锚点、标签和网关，而无需开发任何硬件或编写一行代码。

结论

就像 GPS 的引入改变了世界一样，高精度 UWB 位置传感技术也即将实现同样的目标。随着互操作性变得更加完善以及标签变得更小和更便宜，您可能再也不会丢失您的密钥。

审核编辑：汤梓红