雷达定位的通信技术

精度最好的是从GPS到北斗

由于GPS(全球定位系统)是最早也是最普及的定位系统，所以一提到定位导航，人们很容易想到GPS。其实除了GPS，世界上还有很多定位系统，比如俄国的GLONASS，欧盟建造的伽利略，中国的BDS(中国北斗卫星导航系统)(图1)。

2020年年中，中国自主建设运营的北斗三号全球卫星导航系统全面建成。同年10月，发布了新一代北斗高精度定位服务平台(北斗定位2.0版)，可实现秒级定位，将民用应用的手机定位精度提高到1.2米。据中国信息通信研究院统计分析，2021年第一季度，申请入网的手机有86款，其中支持北斗定位的有68款，北斗全面取代GPS指日可待。①

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RFID和NFC也可用于防丢失技术。如果你对他们感兴趣，请参考“嘿，AirTag，你刚刚在这里吗？”，2021年第10期。这篇文章。

无论北斗、GPS还是其他卫星导航，都可以独立存在，不依赖网络。它们的原理是通过接收至少三颗卫星的信号，确定接收机的坐标X、Y、Z和时钟误差Vto，最终实现定位跟踪功能(图2)。但是定位导航软件从冷启动到搜索卫星信号需要一定的时间，而且卫星信号会受到建筑物和高架桥的影响，只能保证在露天环境下的高精度定位，对于室内导航无能为力。

GPS定位的几何关系③早期的智能手机可以提前下载星图。

网络辅助AGPS刀修复

随着智能手机时代的到来，随时联网的特性与卫星导航产生了火花，衍生出一种被称为“AGPS”(Assisted GPS)的网络辅助定位技术。需要注意的是，AGPS必须基于GPS的定位(包括北斗等其他定位导航系统)。如果GPS不能正常工作，AGPS就无从谈起。

AGP的原理是通过网络(2G ~ 5G网络，后来可以通过Wi-Fi信号实现)下载一个卫星信息(图3)，将这个数据传输到GPS系统。GPS可以在冷启动的第一时间锁定这颗卫星，并根据其位置信息快速检索周边其他卫星，实现快速定位。与纯GPS相比，AGPS可以将首次卫星搜索定位成功的时间从30秒到1分钟缩短到几秒钟，一定程度上可以缓解卫星信号容易被建筑物遮挡导致定位失败的问题。模糊定位LBS基站服务

众所周知，当一台电脑连接到互联网时，它会被分配一个IP地址，而IP地址的分配与地区有关。因此，通过使用ip地址和区域之间的现有映射关系，可以在城市大小的区域中定位设备对象的位置。

同样，所有能通话的手机都会安装SIM卡，连接本地基站，以便通话和接入网络，每个基站覆盖的区域是固定的。通过手机接入的基站信息，可以粗略计算出手机的位置区域(图4)。这种通过基站定位的方式就是LBS，成本最低，通用性最强，但定位误差可能高达数百米以上。

没错，当LBE遇上GPS，就是我们之前提到的AGPS。定位室内Wi-Fi和蓝牙

与基站相比，Wi-Fi路由器和蓝牙发射器的信号覆盖区域要小得多，因此它们可以辅助LBS实现相对更精确的“室内定位”。

其中，WI-Fi定位的原理是，当手机开启WLAN时，会自动检索周围所有Wi-Fi AP(无线接入点，可以理解为路由器)的SSID信息(图5)，即使手机不接入这些热点，也会与之进行交互。在这个过程中，手机会在消息中广播自己的MAC地址，Wi-Fi AP可以根据这个地址和信号强度的消息包定位RSSI(接收信号强度指示)(图6)。但是，Wi-Fi定位需要高位置地图，一旦Wi-Fi AP发生变化，就需要重新修改地图。⑥

虽然Wi-Fi信号覆盖范围不如基站，但可以达到几十米到上百米的范围，仍然不能满足室内精确定位的需求。于是，蓝牙的定位出现了。

蓝牙定位的原理也是基于RSSI信号场强指示。它需要在室内安装多个蓝牙局域网接入点，并设置为基于多用户的基本网络连接方式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网的主设备，然后通过测量信号强度来获取用户的位置信息(图7)。

可惜蓝牙是2.4GHz的高频信号，很容易受到其他无线信号的干扰。为了提高精度，需要增加更多的蓝牙局域网接入点，需要多次获取RSSI值来平滑结果，导致时延和成本增加。

事实上，目前智能手机、智能手表等众多可穿戴设备都同时支持上述多项或全部定位功能，包括我们手机系统设置中手动切换定位精度的选项。苹果最新的AirTag引起了很多关注，就是它所使用的定位技术并不在上述定位功能之列。定位超宽带空中标签的秘密

在AirTag之前，市面上可以买到无数可以用于定位和追踪的产品，比如儿童手表、旧手镯或者汽车防盗报警器。这些产品的原理大多是内置卫星、Wi-Fi、蓝牙等定位模块。，并且可以添加SIM卡或集成eSIM卡，通过所谓的“X重定位技术”(图8)，帮助用户随时在手机上查找、监控或通话。⑧

苹果AirTag与上述产品不同。它不需要SIM卡，里面也没有Wi-Fi模块。它只需安装一个纽扣电池，就可以实现长达一年的厘米级定位能力(图9)。其能力的核心秘密是一种被称为“超宽带”的技术(图10)。之前UWB主要应用于工业场景，因为其通信是基于发射时间极短的窄脉冲，所以非常适合用到达时间差(TDOA)算法计算通信距离，实际误差可以控制在厘米级。

我们可以把UWB理解为基于蓝牙定位的高级升级版。蓝牙的定位精度在3米左右。UWB可以将定位精度提高到10cm ~ 30cm(视具体环境而定)，真正达到堪比龙珠雷达的精确定位效果(图11)。

简单来说，苹果AirTag和iPhone 11(需要U1芯片和相应的天线设计)以及后续机型都支持UWB技术。AirTag可以接收周围所有新iphone的无线电信号，AirTag会在短时间后发送相同的无线电信号，并被周围的iphone接收。此时，iPhone可以通过信号接收的时间差和角度计算出它和AirTag之间的距离和位置，实现比蓝牙更精确的定位(图12)。

为了解决远距离定位的需求，苹果建立了由上亿台苹果设备组成的Find My众包网络。所有开启了Find My功能的苹果产品(HomePod、Apple Watch等设备也将随后推出)都是这个网络的节点。它们可以在日常操作中以低频BLE(蓝牙低功耗)模式广播数据。以便附近的其他Apple设备可以通过UWB与AirTag交换信息，然后检测附近是否有丢失的设备或物品(图13)。你也可以通过Find My crowdsourcing network找到你丢失的AirTag。最重要的是整个UWB信息交换过程都是加密的，不用担心个人隐私泄露。

换句话说，周围的新iPhone越多，AirTag的定位就越准确，越容易找到。但如果你把与AirTag捆绑在一起的东西放在一个没有新iPhone或其他支持UWB技术的苹果设备的地方，那么你就别指望能找到AirTag。

它通过蓝牙交换数据，检测附近是否有丢失的设备或物品；如果其他人的苹果设备在附近发现了已经被失主标记为丢失的东西，它会将当前的大概位置报告给该物品的失主。经过物体的人越多，基于蓝牙的大概位置就会越准确。

另外，从用户的实际反馈来看，由于AirTag的信号发射功率较低，穿透能力较弱。如果放在金属外壳的行李箱里，或者放在塑料行李箱包裹的衣服里，定位精度会明显下降。

综合来看，借助闹市集中的苹果设备、蓝牙功能和UWB，AirTag可以称得上是一个近乎完美的找事标签。它只需要一个超小的组件和超低的功耗就可以与现实世界中的精确位置相关联，未来有望在增强现实(AR)领域发挥很大作用。同时，当UWB与现有的定位技术封装在一起后，其定位能力将进一步提升，我们也希望能够在更加开放的Android生态系统中看到相关产品，并在此基础上实现更大的创新。[14]当用户将移动电话指向要共享的设备的方向时，该设备将在移动电话屏幕的共享面板上方高亮显示。

超宽带技术在反方向传感中的更多应用

其实安卓里也有基于UWB技术的应用。

三星Galaxy Note20 Ultra是Android阵营首款支持UWB技术的手机。通过这项技术，它率先实现了“对齐共享”功能，有利于高效、准确的文件传输(图14)。未来，三星将进一步扩大UWB技术的应用范围，例如通过与AR技术合作，用户可以很容易地找到同样支持该技术的物品(类似于AirTag)。或者作为“数字智能钥匙”，每当用户靠近大门，手机就能自动解锁。

去年，小米还发布了基于UWB技术的“一指连接”应用场景，通过手机实现更便捷的家庭操作。比如把一个使用小米UWB技术的手机指向电视，手机屏幕会瞬间打开电视遥控器的界面，各种遥控操作马上就可以进行。如果您将手机指向空提示音，手机将再次成为空提示音遥控器...简而言之，你的手机指向哪个设备，就会成为那个设备的控制器，免去了用户自己寻找和切换相应功能的繁琐工作(图15)。⒂“一指连接”精确定位于客厅厘米级

今年5月中旬，OPPO发布了全球首款搭载UWB技术的手机配件——OPPO一键联合保护套。这套配件让Find X3 Pro无需在智能家居APP中逐一查找，只需指向智能家居设备(图16)即可控制智能家居设备，实现了“指谁就听话”的领先体验，让智能家居的控制更加便捷高效。

可以预见，随着万物融合时代的到来，UWB技术将大大增强设备间空的感知能力，从而增强“末端”对周围环境的控制力，为未来智能生态带来无限想象空。