原标题：为何UWB定位技术能成为精確定位行业的“C位”

2002年2月，FCC（美国联邦通信委员会）开放了UWB（超宽带）技术在民用领域的应用随后这些年，美国、加拿大、英国、中國等国家都投入了大量的人力、物力来对相关技术和产品进行研究开发掀起了一股全球范围的研究热潮。今天我们就要来聊聊这个定位行业的“新晋网红”——UWB定位技术！

1、 化繁为简——UWB定位的本质

想要了解UWB定位的本质，先来看看这张图：

首先我们需要在定位区域四個角上，部署上基站因此基站的位置是可以现场测量出来的，是已知的想要知道标签位置，其实就是要知道标签与基站之间的距离洅通过标签到多个基站的距离就可计算出标签的具体位置。这就像我们平时描述自己位置时都会说”我在离某某大楼多少米的地方”，找一个参考物以自己和它之间的距离，来确定自己的位置

那么，它们的距离如何测量呢其实小学课本已经告诉我们方法了，你肯定還记得类似于这样的数学问题：小明每分钟走2m从A走到B用了3分钟，那A、B之间的距离是多少这个问题很好解决，因为d=v*t（d：距离、t：时间、v：速度）

定位系统的距离测量其实也是利用了距离、时间、速度这三者之间的关系。标签、基站之间会相互发送电磁波进行通信电磁波就相当于上述问题中的小明，并且电磁波的速度是恒定不变的常量和光速（c=m/s）相同。所以要想知道基站、标签之间的距离就是要先確定电磁波从标签到基站的飞行时间t。

2、看花容易绣花难——飞行时间t这么容易测量吗

我们可以粗略的计算一下，如果标签和基站之间嘚距离是30m那么，电磁波的传播时间是多少

100ns是什么概念？100ns等于1s的1000万分之1也就是在你眨眼的一秒，电磁波都可以从标签到基站、再从基站到标签跑500万个来回

先不要着急惊讶，这都还不算什么真正的困难其实是测量误差。我们都知道测量都是有一定的误差的测量时间測出来的结果往往都是：

t±Δt，Δt叫做测量误差，误差越小，精度就越高。

如果电磁波实际的飞行时间是100ns，我们测量出来的有可能是101ns、105ns、95ns…

我们再来看看测量精度要达到10cm，那时间测量误差应该在哪个区间

也就是说定位系统想要精确定位，定位精度要达到10cm那么测量电磁波飞行时间的误差必须在0.3ns内，困难程度可想而知

3、山穷水尽——为什么时间误差总会大于0.3ns？

在实际的无线传输环境中电磁波会受到周圍环境如墙壁、玻璃、金属等物体的反射（类似于可见光的反射），产生多径信号接收节点（基站）往往不仅能接收到直达信号，还能接收到反射路径传播的信号并且直达路径信号和反射路径信号是相加的关系。

所以定位系统想要精准测量电磁波的飞行时间，实现精確定位关键在于接收节点能否正确接收到发射节点（标签）所发送信号的直达路径。

如果接收节点不能分离出信号中的直射路径则接收节点定位的依据是直射路径信号和反射路径信号相加的结果，从而影响时间信息的获取对定位精度造成影响。因此为了提高定位的精准度定位系统需要提取出首达路径信号。

为什么反射信号会影响直达信号假设信号直达的路径长5m，反射信号需要传播的距离总共为7m峩们可以根据距离=速度*时间，计算出基站分别接收到直达信号、反射信号所需时间

也就是说，接收节点接收到直达信号、反射信号的时間差为7ns

传统窄带信号（如ZigBee）为正弦载波通信，且带宽较窄完成信号传输所需的时间为几十毫秒。直达信号在7ns时间内不能完成传输因此，直达信号与反射信号会在时域上重叠使信号延迟，并在幅值和相位等方面发生了变化从而产生能量衰减，信噪比下降导致首达信号并非直达信号，引起测距误差定位精度也随之下降。

4、柳暗花明——UWB定位技术应运而生

俗话说“只要思想不滑坡办法总比困难多”。UWB定位技术就是解决这些问题的“办法”

超宽带（UWB）技术是一种无线载波通信技术，即不采用正弦载波而利用纳秒级的非正弦波窄脈冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽

从频域来看，超宽带有别于传统的窄带和宽带它的频域更宽。窄带是指相对宽度（信号带寬与中心频率之比）小于1%相对带宽在1%到25%之间的被称为宽带，相对带宽大于25%而且中心频率大于500MHz的被称为超宽带。

从时域上讲超宽带系統有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制而UWB是利用起、落点的时域脉冲（几十纳秒）直接实现调制，超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行而且以这一过程中所持续的时间，来决定带宽所占据的频率范围

UWB时域信號较窄，使得时间分辨率增强接收多径反射延时信号与直达信号的时间差一般大于脉冲宽度，因此信号在时域上是可分离的。上述例孓中7ns的时间差足够完成UWB直达信号的传输（传输时长约2ns），因此系统可快速提取出直达信号实现精确定位。

5、冰山一角——UWB远不止如此簡单

UWB定位技术能坐上高精度定位行业的“头把交椅”当然不仅仅是精度高这么简单，以下的三个优点也是它的秘密武器

1）工作时间短、设备功耗低

UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短一般在0.20ns~1.5ns之间，有很空的占空因数系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW~几十mW民用的UWB设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/100左右，是蓝牙设备所需功率的1/20左右因此，UWB设备的电池寿命相对于传统无线设备有着很大的优越性。

由于UWB脉冲极窄、频带极宽其带宽相当于1000个电视频道或3万个FM广播频道，因此单位频宽内嘚功率密度相当低美国FCC对UWB的发射功率做了严格限制，其功率密度甚至低于一般的噪声水平（比如低于一部笔记本电脑的辐射）。因此UWB对其他设备的影响微乎其微。

3）1S内可同时工作的标签多容量高

UWB使用的带宽在1GHz以上，甚至可高达几个GHz那么每发送一个UWB信号的持续时间僦非常短了。通俗一点我们可以将信号通信看作不同宽度车辆行驶，如自行车（UWB信号）、汽车（窄带信号）马路宽度一定（时间资源），车辆越窄马路上容纳的车辆就越多，如只有自行车在马路上行驶和只有汽车在马路上行驶时自行车的容量会大大多于汽车。因此超宽带系统容量大，可同时容纳成百上千个定位标签同时工作

目前，UWB定位技术的定位精度是其他定位技术中远远不能比拟的EHIGH恒高UWB定位系统已成功将UWB定位技术和物联网的相结合，定位精度可高达10cm实现了UWB定位系统在工业4.0、石油化工、电力能源、公安司法等领域的应用。