使用超寬帶進(jìn)行精確位置跟蹤

全球定位系統(tǒng) (GPS) 技術(shù)改變了世界。超寬帶 (UWB) 位置跟蹤功能也將如此。下面，我們將探討 UWB 的快速更新、更短的延遲和 1 厘米的精度將如何使物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和移動設(shè)備能夠準(zhǔn)確跟蹤并與個(gè)人、公共空間和工業(yè)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)結(jié)合。

首先，一點(diǎn)背景

年輕一代可能認(rèn)為這是理所當(dāng)然的，但今天人們驚嘆于 GPS 技術(shù)及其將位置解析為導(dǎo)航輔助工具的能力。雖然最初是幫助士兵和特種部隊(duì)執(zhí)行秘密任務(wù)的軍事技術(shù)，但它在今天的使用非常普遍，以至于使用傳統(tǒng)的紙質(zhì)地圖不再像過去那樣普遍。

GPS 于 1973 年啟動，但直到 1993 年，所有 24 顆地球同步衛(wèi)星都已就位，以支持一個(gè)真正可用的相關(guān)全球定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)不需要用戶發(fā)送信號。這對軍方尤為重要，因?yàn)樗ㄟ^消除可追蹤的無線電信號來幫助保持許多任務(wù)的隱秘性。

早期擔(dān)心外國軍隊(duì)可能利用美國開發(fā)的 GPS 系統(tǒng)導(dǎo)致了一項(xiàng)名為選擇性可用性的計(jì)劃，該計(jì)劃限制了解決方案和有效性。選擇性可用性持續(xù)了大約十年，而其他國家則創(chuàng)建了他們的全球定位系統(tǒng)，例如蘇聯(lián)的 GLONASS 和中國的北斗系統(tǒng)，以及歐洲的伽利略 GPS。當(dāng)消除選擇性可用性時(shí)，GPS可以達(dá)到約5M的位置準(zhǔn)確性，從而使群眾在駕駛時(shí)作為導(dǎo)航援助有用。隨著 GPS 與手機(jī)的融合，地理定位的不斷改進(jìn)現(xiàn)在允許 GPS 系統(tǒng)獲得大約 1 英尺（或 30 厘米以內(nèi)）的空間分辨率。

手機(jī)信號塔允許服務(wù)提供商使用信號強(qiáng)度、信號塔之間的相位關(guān)系，以及現(xiàn)在的飛行時(shí)間 (ToF) 信息，這些信息可以衡量信號傳輸?shù)椒秶鷥?nèi)的不同信號塔所需的時(shí)間。這種三角測量技術(shù)提高了定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，現(xiàn)代設(shè)備甚至可以使用 Wi-Fi ?信標(biāo)來幫助提高準(zhǔn)確性。Bluetooth?和Wi -Fi的使用甚至允許在室內(nèi)位置達(dá)到幾米的定位精度。我對此進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)我在 Google 地球地圖上覆蓋我的位置時(shí)，它不僅會告訴我我在誰的房子里，還會精確定位到確切的房間。

在 GPS、蜂窩塔數(shù)據(jù)采集、信標(biāo)和 Wi-Fi/藍(lán)牙信號之間，12 英寸的分辨率非常適合許多需求，但由于技術(shù)進(jìn)步、RF 頻段的新用途以及現(xiàn)有技術(shù)的新應(yīng)用，分辨率越來越高. 超寬帶 (UWB) 技術(shù)可以提供詳細(xì)的位置數(shù)據(jù)和低至 1 厘米分辨率的位置精度，正在獲得廣泛關(guān)注。稱為微定位，我們現(xiàn)在可以以厘米級的精度實(shí)時(shí)定位和發(fā)現(xiàn)任何東西，因?yàn)?UWB 能夠跨平臺工作并將自己錨定在無線技術(shù)的世界中。

現(xiàn)代超寬帶

在 2000 年代中期，IEEE 開始定義 UWB 規(guī)范，以增強(qiáng)微定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和針對多個(gè)目標(biāo)的實(shí)時(shí)定位服務(wù) (RTLS)。選擇 UWB 是因?yàn)樗前踩?，具有對噪聲和雜散信號的高度免疫力，并且不受多徑信號干擾。結(jié)果就是 IEEE 802.15.4a 和 802.15.4z 標(biāo)準(zhǔn)。

工作在 3.1GHz 至 10.6GHz 并使用正交頻分復(fù)用 (OFDM)——具有重疊頻譜特性的正交緊密間隔子載波，可以并行傳輸數(shù)據(jù)——UWB 可以穿透非金屬墻壁和地板，并且不必在像5G這樣的景象。UWB 也稱為脈沖無線電（2 納秒寬高振幅 500MHz 頻帶數(shù)據(jù)突發(fā)），與窄帶相比，UWB 高于本底噪聲并提供易于恢復(fù)和解碼的信號（圖 1）。

UWB 還提供比 GPS 技術(shù)更可靠、更安全和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。UWB位置數(shù)據(jù)每秒可更新1000次，比衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快50倍。

由于 ToF 測量的準(zhǔn)確性和寬帶寬，多個(gè)設(shè)備可以同時(shí)進(jìn)行通信和跟蹤而不會受到干擾。這有助于消除限制人口密集區(qū)域性能的體育場效應(yīng)，例如體育場內(nèi)的 Wi-Fi。這也使得 UWB 可以嵌入到一系列新設(shè)備中，這些設(shè)備針對房屋、公寓、工廠和機(jī)場航站樓等公共場所的物聯(lián)網(wǎng)和自動化技術(shù)。想象一下，在一個(gè)巨大的機(jī)場里查看您的手機(jī)可以找到您的朋友在哪里，或者在轉(zhuǎn)機(jī)時(shí)您的登機(jī)口在哪里。

手機(jī)制造商和工業(yè)設(shè)備制造商已經(jīng)在FIRa 聯(lián)盟中合作，以平滑協(xié)議定義并消除互操作性問題。蘋果和三星率先將 UWB 集成到他們的新手機(jī)中。該聯(lián)盟正在構(gòu)建結(jié)構(gòu)以支持分層聚合接入點(diǎn)，這些接入點(diǎn)使用發(fā)起者和響應(yīng)者序列來最大限度地減少延遲。個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)可以在固定位置使用錨點(diǎn)來支持聚合、網(wǎng)關(guān)功能、路由功能以及到相鄰接入點(diǎn)的對等切換，以實(shí)現(xiàn)從一個(gè)位置到另一個(gè)位置的無縫過渡。除了固定和移動節(jié)點(diǎn)發(fā)揮作用的公共訪問位置外，UWB 技術(shù)還適用于工業(yè)功能。工業(yè)場所可以使用 UWB 標(biāo)簽來跟蹤資產(chǎn)和庫存，定位傳送帶上的物品，甚至發(fā)送關(guān)鍵數(shù)據(jù)，例如裝有疫苗的容器的溫度。

UWB 技術(shù)幾乎允許任何傳感器、致動器（固定或移動）在給定體積內(nèi)與從體積空間移動到體積空間的移動設(shè)備共存。這包括訪問基于云的服務(wù)，這些服務(wù)通?？梢詫⒏嗟奶幚碣Y源和人工智能 (AI) 用于關(guān)鍵任務(wù)，例如自動駕駛車輛、送貨機(jī)器人、自主農(nóng)業(yè)系統(tǒng)、無人機(jī)、接觸者追蹤，甚至患者定位-在護(hù)理機(jī)構(gòu)中監(jiān)測癡呆癥和阿爾茨海默病患者。

UWB 產(chǎn)品和工具包

對于有興趣實(shí)施 UWB 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員，他們可以使用工具和組件來幫助教授技術(shù)、提供參考硬件、固件設(shè)計(jì)，并幫助確保系統(tǒng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

基于DW1000 UWB 收發(fā)器 IC 并符合 IEEE802.15.4-2011，DWM1001C UWB 收發(fā)器模塊支持高達(dá) 6.8Mbits/sec 的數(shù)據(jù)速率。DWM1004C 集成了一個(gè) UWB 和藍(lán)牙?天線、所有 RF 電路、Nordic Semiconductor nRF52832 MCU 和一個(gè) 3 軸加速度計(jì)。每種模式都可以配置為 RTLS 錨點(diǎn)或標(biāo)簽，還可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

除了天線和信號調(diào)節(jié)組件之外，專門針對位置和距離測量的 UWB 演示和開發(fā)工具也在生產(chǎn)中。Qorvo MDEK1001開發(fā)套件是了解 RTLS 系統(tǒng)的絕佳起點(diǎn)。MDEK1001 開發(fā)套件為設(shè)計(jì)人員提供了必要的硬件、軟件和開發(fā)環(huán)境，以快速評估 Qorvo 的 UWB 技術(shù)以用于可擴(kuò)展的 RTLS。該套件包括 12 個(gè) DWM1001-DEV 開發(fā)板，可配置為錨點(diǎn)、標(biāo)簽或橋接節(jié)點(diǎn)。

DWM1001 -DEV 模塊開發(fā)板評估 DWM1001 模塊的性能。設(shè)計(jì)人員可以使用 DWM1001-DEV 模塊開發(fā)板來組裝和評估 RTLS，包括錨點(diǎn)、標(biāo)簽和網(wǎng)關(guān)，而無需開發(fā)任何硬件或編寫一行代碼。

結(jié)論

就像 GPS 的引入改變了世界一樣，高精度 UWB 位置傳感技術(shù)也即將實(shí)現(xiàn)同樣的目標(biāo)。隨著互操作性變得更加完善以及標(biāo)簽變得更小和更便宜，您可能再也不會丟失您的密鑰。

審核編輯：湯梓紅