在科技飛速發(fā)展的當(dāng)下，無人機(jī)技術(shù)日新月異，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。從航拍測繪到物流配送，從農(nóng)業(yè)植保到應(yīng)急救援，無人機(jī)正以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，改變著我們的生活與工作方式。而在無人機(jī)技術(shù)不斷演進(jìn)的背后，一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用正悄然推動(dòng)著行業(yè)的變革，這就是 UWB（超寬帶）技術(shù)，特別是 UWB 芯片在無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用，為無人機(jī)的性能提升與功能拓展帶來了無限可能。
UWB 技術(shù)概述
UWB，即超寬帶，是一種利用納米至微米級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)。與傳統(tǒng)通信技術(shù)不同，UWB 不采用正弦載波，而是通過發(fā)送和接收時(shí)間間隔極短（小于 1ns）的脈沖進(jìn)行通信，這使得其信號(hào)帶寬非常大。按照美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）的定義，UWB 帶寬是比中心頻率高 25% 或者大于 1.5GHz 的帶寬。
UWB 技術(shù)的發(fā)展歷程頗為曲折。其基本思想可追溯到 20 世紀(jì) 40 年代，當(dāng)時(shí)有關(guān)隨機(jī)脈沖系統(tǒng)的專利為其發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。到了 60 年代，美國軍方率先將 UWB 技術(shù)應(yīng)用于雷達(dá)、定位和通信系統(tǒng)中。此后，經(jīng)過多年的研究與改進(jìn)，2002 年，UWB 技術(shù)首次獲得 FCC 批準(zhǔn)用于民用通信，這一里程碑事件標(biāo)志著 UWB 技術(shù)開始走向更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。隨后，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不斷完善，從 2003 年美國和歐洲標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，到 2007 年 WiMedia 聯(lián)盟的 MB - OFDM 標(biāo)準(zhǔn)成為 UWB 技術(shù)的第一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)，再到 2020 年 IEEE 更新 UWB 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（802.15.4z），每一次標(biāo)準(zhǔn)的更新都為 UWB 技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用鋪平了道路。
UWB 技術(shù)之所以備受關(guān)注，源于其諸多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。首先，UWB 技術(shù)具有極高的定位精度，能夠?qū)崿F(xiàn)厘米級(jí)定位，這在眾多需要精準(zhǔn)定位的場景中至關(guān)重要。其次，它對(duì)信道衰落不敏感，即使在復(fù)雜的環(huán)境中，也能保持穩(wěn)定的信號(hào)傳輸。此外，UWB 發(fā)射信號(hào)功率譜密度低，截獲率低，具有良好的安全性，同時(shí)系統(tǒng)復(fù)雜度低，功耗也相對(duì)較低。這些優(yōu)勢(shì)使得 UWB 技術(shù)在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
UWB 芯片在無人機(jī)定位中的應(yīng)用
在無人機(jī)飛行過程中，精準(zhǔn)定位是確保其安全、高效運(yùn)行的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的定位技術(shù)，如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS），在開闊環(huán)境下能夠提供較為準(zhǔn)確的定位信息，但在室內(nèi)、城市峽谷等衛(wèi)星信號(hào)受到遮擋的區(qū)域，定位精度會(huì)大幅下降。而 WiFi 和藍(lán)牙等定位技術(shù)，雖然在一定程度上能夠彌補(bǔ) GNSS 的不足，但在定位精度和抗干擾能力方面仍存在局限。UWB 技術(shù)的出現(xiàn)，為無人機(jī)定位難題提供了新的解決方案。
UWB 芯片利用其高精度測距能力，能夠?qū)崟r(shí)獲取無人機(jī)的位置信息。其工作原理基于飛行時(shí)間（TOF）測距技術(shù)，通過測量 UWB 信號(hào)從發(fā)射端到接收端的飛行時(shí)間，結(jié)合信號(hào)傳播速度，精確計(jì)算出兩點(diǎn)之間的距離。由于 UWB 信號(hào)帶寬極寬，脈沖時(shí)間寬度極短，使得測距精度能夠達(dá)到厘米級(jí)。在無人機(jī)定位系統(tǒng)中，通常會(huì)部署多個(gè) UWB 基站，無人機(jī)搭載 UWB 標(biāo)簽，通過與多個(gè)基站進(jìn)行信號(hào)交互，利用三角定位算法，即可精確確定無人機(jī)在空間中的位置。
這種厘米級(jí)的定位精度，為無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下的飛行帶來了諸多優(yōu)勢(shì)。在低空飛行場景中，無人機(jī)可能需要在建筑物之間、樹林中穿梭，UWB 芯片的高精度定位能夠幫助無人機(jī)準(zhǔn)確避開障礙物，確保飛行安全。在物流配送領(lǐng)域，無人機(jī)需要在倉庫、停機(jī)坪等狹小空間內(nèi)精準(zhǔn)降落，UWB 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)的精準(zhǔn)?？?，提高配送效率。在室內(nèi)環(huán)境下，如在工廠內(nèi)進(jìn)行巡檢、在展覽館內(nèi)進(jìn)行拍攝等，UWB 芯片能夠?yàn)闊o人機(jī)提供穩(wěn)定可靠的定位支持，使無人機(jī)能夠按照預(yù)定的路徑飛行，完成各種任務(wù)。
UWB 芯片助力無人機(jī)導(dǎo)航與避障
除了定位，導(dǎo)航與避障也是無人機(jī)飛行過程中的重要環(huán)節(jié)。UWB 芯片不僅能夠提供精準(zhǔn)的位置信息，還能為無人機(jī)的導(dǎo)航與避障功能提供有力支持。
在導(dǎo)航方面，UWB 芯片與無人機(jī)的飛控系統(tǒng)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)更為精確的路徑規(guī)劃和飛行控制。通過實(shí)時(shí)獲取的位置信息，飛控系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)設(shè)的任務(wù)目標(biāo)，動(dòng)態(tài)調(diào)整無人機(jī)的飛行姿態(tài)和速度，確保無人機(jī)沿著最優(yōu)路徑飛行。在進(jìn)行航拍任務(wù)時(shí)，無人機(jī)需要按照特定的航線飛行，以獲取完整、清晰的圖像。UWB 芯片能夠幫助無人機(jī)精確地保持在預(yù)定航線上，避免因定位誤差導(dǎo)致的航線偏離，從而提高航拍質(zhì)量。
在避障功能上，UWB 芯片的作用同樣顯著。無人機(jī)在飛行過程中，可能會(huì)遇到各種障礙物，如樹木、建筑物、電線等。傳統(tǒng)的避障技術(shù)，如視覺避障、超聲波避障等，在復(fù)雜環(huán)境下可能存在一定的局限性。而 UWB 技術(shù)的加入，為無人機(jī)避障提供了新的維度。UWB 芯片能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測無人機(jī)與周圍障礙物的距離，當(dāng)檢測到距離過近時(shí)，及時(shí)向飛控系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，飛控系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)調(diào)整無人機(jī)的飛行方向，避開障礙物。與其他避障技術(shù)相比，UWB 避障具有響應(yīng)速度快、精度高、不受光線和天氣影響等優(yōu)勢(shì)，能夠在各種復(fù)雜環(huán)境下為無人機(jī)的飛行安全保駕護(hù)航。
UWB 芯片在無人機(jī)通信中的應(yīng)用
無人機(jī)在飛行過程中，需要與地面控制站、其他無人機(jī)以及周邊設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，以傳輸飛行數(shù)據(jù)、圖像信息等。UWB 技術(shù)在無人機(jī)通信領(lǐng)域同樣具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
UWB 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，其使用的帶寬在 500MHz 以上，可以在短時(shí)間內(nèi)發(fā)送大數(shù)據(jù)包。相比之下，藍(lán)牙通常限制在 20MHz。在無人機(jī)進(jìn)行高清視頻傳輸、大量飛行數(shù)據(jù)上傳等應(yīng)用場景中，UWB 芯片能夠確保數(shù)據(jù)的快速、穩(wěn)定傳輸，避免出現(xiàn)卡頓、延遲等現(xiàn)象。在航拍無人機(jī)將實(shí)時(shí)拍攝的高清視頻傳輸回地面控制站時(shí)，UWB 芯片能夠保證視頻畫面的流暢性，讓操作人員能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取拍攝畫面，做出相應(yīng)的決策。
同時(shí)，UWB 通信具有較強(qiáng)的抗干擾能力。在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，如城市中心、工業(yè)區(qū)域等，各種無線信號(hào)相互交織，容易對(duì)無人機(jī)通信造成干擾。UWB 信號(hào)由于其獨(dú)特的脈沖特性，能夠在一定程度上抵抗外界干擾，保持通信的穩(wěn)定性。這使得無人機(jī)在這些復(fù)雜環(huán)境下仍能可靠地與外界進(jìn)行通信，確保飛行任務(wù)的順利進(jìn)行。
此外，UWB 通信的安全性也為無人機(jī)通信提供了保障。由于 UWB 發(fā)射信號(hào)功率譜密度低，截獲率低，不易被非法監(jiān)聽和干擾，有效保護(hù)了無人機(jī)通信過程中的數(shù)據(jù)安全。在一些對(duì)信息安全要求較高的應(yīng)用場景中，如軍事偵察、保密通信等，UWB 芯片的這一優(yōu)勢(shì)顯得尤為重要。
