苹果uwb定位技术

昨天的文章简单说明了手机定位的技术，文章写的比较简单，但是阅读量却还可以，这篇文章转一个uwb定位技术的文章，让更多的人了解这项技术。

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#前言

关于昨天的文章，有些同学给我留言说明了下，我简单总结下，特别感谢「铁甲依然在」，你的球技如你的人品一样骚~

1、任何一个网络设备都有一个MAC地址，WIFI也不例外。我们的WIFI设备MAC地址和实际的物理地址在运营商是有记录的，有相关人士将这个地址做了对应关系的数据库给各个厂家访问，从而实现盈利。

「如何获取数据，我也不知道，表问我」

所以，我们有时候会遇到一个情况，公司做了迁移，但是运营商还未及时更新新公司地址和公司上网设备MAC地址的关系表，导致的结果是，你的手机室内利用WIFI辅助定位以后，给出的地址信息还是公司迁移以前的位置信息。

同时，WIFI定位也不是利用一个WIFI热点实现，而是采集多个WIFI热点的RSSI信息，根据三角定位计算出最终的结果，通常可以达到米级。

手机不上网在一定范围内也是可以实现WIFI定位的，因为WIFI热点的位置相对固定，可以通过两种方法获取位置信息，一种是获取WIFI的RSSI信息后上传到服务器，服务器返回位置信息，一种是设备端自己的本地实现解算。

2、GPS定位的理论时间，注意是理论时间，是三次卫星广播间隔，一次卫星广播的时间间隔是7秒左右。具体忘记了。所以三次就是21秒左右。所以我们看到GPS定位芯片的规格书的冷启动时间是20多秒。但是由于天线，天气环境等原因，通常实际达不到。

3、AGPS获取星历，不是和基站要，而是去和相关的定位服务器获取。你只需要告知自身的大概位置「几百公里范围都可以」，然后相关定位服务器就会给你一个当前的卫星星历信息，其实就是卫星的轨迹信息，手机获取这个信息后，可以节省选取哪几颗卫星来做定位计算的时间，从而提高精准度。

但是AGPS不仅仅是这些辅助，广义上的基站辅助，WIFI辅助都可以叫做AGPS。

4、Glonass没有更贵一说，现在的定位芯片都是多模的，多模的意思是支持几种模式。北斗也没有更贵一说，到今天，北斗民用完全没有问题了，我查了下资料，北斗用在农业上已经很成熟了。北斗已经只有一颗星没有上天了，北斗已经组网完成99%了。北斗卫星发射情况可以去北斗官网查看。

#正文

#UWB介绍

UWB（Ultra Wide Band）我们一般叫做超宽带通信，顾名思义最主要的特征是带宽很宽，远远大于现存的窄带通信系统（包括802.11系列和2/3/4和5G中的sub 6G)反之我们称之为窄带通信。

定义：

如果一个无线电系统拥有超过中心频率20%的相对带宽，或者拥有500MHz以上的绝对带宽，我们称之为是UWB无线电系统。

ps:

我的老东家-中兴高达，就是做窄带通信和宽带通信的手持通信设备企业。

UWB无线电是一个很宽泛的定义，只要带宽满足条件即可：UWB雷达，UWB通信都各有发展。

从定义上说，未来可能存在的，5G中超过500MHz单载波带宽的毫米波通信，也算做是UWB无线电。

#UWB通信是什么？

目前UWB通信主要有两种主流的发展思路：传统的脉冲调制UWB和基于OFDM的UWB（MB-OFDM-UWB)。题目中提到的和大家在说的UWB系统，都是在特指脉冲调制UWB这种发展方向。这里也着重介绍这种技术方案。

不同于目前主流窄带通系统的载波调制方案，传统UWB发射脉冲信号来传输信息，我们称之为脉冲调制。

通俗的理解是这样的，我们通常通过调节正弦波的频率、相位、幅度等参数来传输信息，并通过傅里叶变换等频域分析方式来接收、解调这些信息，这里的「正弦波」我们称为「载波」。而传统UWB通信系统中，我们不需要「正弦载波」作为载体，而是直接发射电磁脉冲，通过调节脉冲的幅度(PAM，脉冲振幅调制）和脉冲的位置(PPM，脉冲位置调制）等方式来传递信息，如下图。

从频域和时域的角度，也可以理解为传统UWB是单纯的时域信号处理，不需要射频电路中的本振，差分等射频模块。如果产业成熟度相同，那么UWB通信模块成本应当低于传统的窄带通信模块。（这里请特别注意前置条件）。

#传统UWB的优势

我们都知道，UWB所采用的是500MHz以上的大带宽。而频域扩展等于时域收缩，因此现在的传统UWB系统中，脉冲的宽度一般在数纳秒到数十纳秒之间，这意味着信号本身的占空比很低。

占空比是指在一个脉冲循环内，通电时间相对于总时间所占的比例。 占空比(Duty Ratio)在电信领域中有如下含义：例如：脉冲宽度1μs，信号周期4μs的脉冲序列 占空比为0.25。

如果大家有了解过雷达基础就会知道，对于脉冲信号来说，信号的占空比很低意味着脉冲宽度很小，一个定位系统里，距离分辨率与脉冲宽度成正相关：脉冲宽度越小，距离分辨率越小，可以分辨的两点就越近，精度就越高。具体公式很简单：

, 是光速。

这就意味着传统UWB所采用的窄脉冲和高频带天然会带来更高的距离分辨率。比如如果Wi-Fi的定位精度是3.0m-6.0m这样的米级，那UWB可能就是厘米级。（这个例子不精确，实际上UWB有可能通过类似脉冲压缩等其它信号处理算法提升精度，Wi-Fi类似）

此外，低占空比会更容易区分来自其它非目标散射物的反射信号，也就是说更抗多径，因此更适应室内环境。这很容易理解，因为占空比低，所以不同路径的回波信号非常容易区分。其实UWB系统的设计和3G很像，可以通过扩频设计实现多址，这也是前些年的研究热点。

综上所述，传统UWB的实现优点是：

理论上成本低
定位距离精度高
通信速度快（超大带宽）
抗多径能力强
功耗低（脉冲调制决定的）
穿透能力强（宽频谱）

缺点也很明显：

波束指向性强（需要波束明确指向接收源）
通信距离短（UWB的授权频谱有相当多的现存通信设备，UWB设备功率需要低于一定门限才能不影响其他通信系统）
频带利用率低下（看看那占空比）
产业相对不成熟（但是足够商用了）

#UWB如何计算位置

因此，它的应用也很明确，主要有三种应用：成像、通信与测量和车载雷达系统，再宏观一点，可以分为定位、通信和成像三种场景。

定位：这里借用一下我以前的回答，UWB定位系统也需要用到UWB基站作为坐标。如果我们谈基站定位的话，就是这几种：

a. 三边测量 ：通过接收到的信号来求解几何问题。因为基站位置都是已知的，那么未知数只有用户与基站之间的距离。为了求解用户与基站之间的距离，需要信号在空中传播时间，也就是可能能用到几种信息：到达时间（time of arrival，ToA）；time difference of arrival (TDoA) 或者 received signal strength (RSS)。

b.三角测量：当基站位置已知时，基站与用户之间的距离信息可以用角度信息替代。如果我们知道信号的到达角（angle of arrival，AoA），那么同样可以得到与三边测量同样的结果。

c.近似：如果我们只有一个已知基站，那么我们可以根据ToA或者AoA和信号强度大概估计出用户与基站的距离和角度，那么就可以近似出用户位置。实际上这也是2G系统中最常见的基站定位方式。这里的问题是，通常地面会存在很多干扰，单个基站的估计不会很精确。

d.场景分析：我们可以将一些典型位置点的信号特征（比如RSS、时延扩展或者信道扩展）存入数据库，再与当时的信号作比对，可以估计出用户与基站之间的距离和方位。

我们之前已经分析过，因为UWB的距离分辨率很高，ToA精度很高，所以三边测量很适合。

实际上这也是目前UWB无线电中最主流的定位方式。AoA这种角度估计需要天线阵列，不如ToA适合UWB。

#其他应用

通信：因为大带宽，所以UWB一度被认为是USB数据传输的无线替代方案，蓝牙的问题是传输速度太慢。UWB还常用于军用保密通信，这主要也是因为UWB脉冲的能量很低，很容易低于噪声门限，不容易被其它无线电系统监听到。
成像：UWB系统的带宽很宽，目前UWB穿墙雷达是很广泛的应用，具体做法是利用窄脉冲传过墙壁，获得墙对面的回波，可以得到成像，成像误差很低。所以如果有一天苹果开放底层接口，说不定iphone就可以拿来窥探邻居了。

本文部分内容转自：

https://www.zhihu.com/question/345471985/answer/836891220