龍珠雷達　從AirTag淺析主流定位技術(shù)

最佳精度 從GPS到北斗

由于GPS（Global Positioning System）是開放最早，也是普及度最高的定位系統(tǒng)，所以一提定位和導(dǎo)航，人們很容易就會聯(lián)想起GPS。實際上，除了GPS，全球范圍內(nèi)還有很多定位系統(tǒng)，比如俄羅斯的GLONASS（格洛納斯）、歐盟打造的Galileo（伽利略），以及我國自己BDS（中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）（圖1）。

2020年中旬，中國自主建設(shè)、獨立運行的北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全面建成，并于同年10月全新發(fā)布了北斗高精度定位服務(wù)平臺（北斗定位2.0版），能夠?qū)崿F(xiàn)秒級定位，并將民用應(yīng)用的手機定位精度提高到1.2米。根據(jù)中國信息通信研究院的統(tǒng)計分析，2021年第一季度申請進網(wǎng)的手機中支持定位功能的共計86款，其中68款支持北斗定位，距離北斗全面取代GPS已經(jīng)指日可待。

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火速鏈接

RFID射頻識別和NFC也能用于防丟失技術(shù)，如果你對它們感興趣可以參考本刊2021年第10期《嘿，AirTag你才來嗎？》這篇文章。

無論北斗、GPS還是其他衛(wèi)星導(dǎo)航，它們均可不依靠網(wǎng)絡(luò)而獨立存在，其原理都是通過接收至少3顆衛(wèi)星的信號，從而確定坐標(biāo)x、y、z和接收機的鐘差Vto，最終實現(xiàn)定位追蹤功能（圖2）。但是，定位導(dǎo)航軟件從冷啟動到搜索到衛(wèi)星信號需要一定的耗時，而衛(wèi)星信號又會受到建筑物和高架橋的影響，其只能保證露天環(huán)境下的高精度定位，對于室內(nèi)導(dǎo)航就無能為力了。

GPS定位的幾何關(guān)系

③早期的智能手機還能提前下載星圖

網(wǎng)絡(luò)輔助 AGPS補刀

隨著智能手機時代的來臨，隨時聯(lián)網(wǎng)的特性和衛(wèi)星導(dǎo)航撞出了火花，并衍生出了一種名為“AGPS”（Assisted GPS）的網(wǎng)絡(luò)輔助定位技術(shù)。需要注意的是，AGPS必須建立在GPS（包括北斗等其他定位導(dǎo)航系統(tǒng)）定位的基礎(chǔ)上，如果GPS不能正常工作，AGPS也就無從談起了。

AGPS的原理是通過網(wǎng)絡(luò)（2G～5G網(wǎng)絡(luò)，后來還能通過Wi-Fi信號實現(xiàn)）下載一個衛(wèi)星信息（圖3），并將這個數(shù)據(jù)傳遞給GPS系統(tǒng)，GPS在冷啟動時第一時間就能鎖定到這顆衛(wèi)星，并根據(jù)它的位置信息迅速檢索到其他周邊衛(wèi)星從而實現(xiàn)快速定位。和純GPS相比，AGPS能將首次搜星定位成功的時間從30秒～1分鐘縮減到幾秒鐘，還能在一定程度上緩解衛(wèi)星信號容易受到建筑物阻擋導(dǎo)致定位失敗的問題。

模糊定位LBS基站服務(wù)

我們都知道，當(dāng)電腦接入互聯(lián)網(wǎng)時會被分配一個IP地址，而IP地址的分配是與地域有關(guān)的。因此，通過使用現(xiàn)有的IP地址與區(qū)域之間的映射關(guān)系，可以將設(shè)備對象的位置定位到城市大小的區(qū)域。

同理，所有可以通話的手機都會安裝SIM卡并接入當(dāng)?shù)氐幕静拍芡ㄔ捄驮L問網(wǎng)絡(luò)，而每個基站所覆蓋的區(qū)域是固定的，通過手機接入的基站信息，就能大致計算出手機所處的位置區(qū)域（圖4）。而這種通過基站定位的方式就是LBS，其成本最低且最具通用性，只是定位誤差可能高達數(shù)百米甚至更多。

沒錯，當(dāng)LBE遇到GPS，就是咱們前面提到的AGPS了。

室內(nèi)定位Wi-Fi和藍牙

和基站相比，Wi-Fi路由器和藍牙發(fā)射器的信號覆蓋區(qū)域要小很多，所以它們可以輔助LBS實現(xiàn)相對更精準(zhǔn)的“室內(nèi)定位”。

其中，WI-Fi定位的原理是當(dāng)手機開啟WLAN后會自動檢索到周圍所有Wi-Fi AP（無線接入點，可以理解為路由器）的SSID信息（圖5），哪怕手機沒有接入這些熱點，也會與它們產(chǎn)生交互。在這個過程中，手機會在消息中廣播自身的MAC地址，而Wi-Fi AP就能根據(jù)這個地址以及信號強弱的消息包來進行RSSI（接收信號強度指示）定位了（圖6）。不過，Wi-Fi定位對位置地圖的要求很高，一旦Wi-Fi AP出現(xiàn)變動都需要重新對地圖進行修正。

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雖然Wi-Fi信號的覆蓋區(qū)域不如基站，但也可以達到數(shù)十米到超百米的范圍，依舊無法滿足室內(nèi)精準(zhǔn)定位的需求。于是，藍牙的定位出現(xiàn)了。

藍牙定位的原理同樣是基于RSSI信號場強指示，它需要在室內(nèi)安裝若干個藍牙局域網(wǎng)接入點，并將其設(shè)定為基于多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接模式，并保證藍牙局域網(wǎng)接入點始終是這個微微網(wǎng)的主設(shè)備，然后通過測量信號強度獲得用戶的位置信息（圖7）。

可惜，藍牙是一種2.4GHz的高頻信號，容易受到其他無線信號的干擾。為了提升精度，需要添加更多藍牙局域網(wǎng)接入點，并對RSSI值進行多次獲取來平滑結(jié)果，隨之而來的就是時延的增加以及成本的提升。

實際上，當(dāng)前智能手機、智能手表以及其他不少穿戴式設(shè)備都同時支持上述多種或所有定位功能，包括我們的手機系統(tǒng)設(shè)置中也能手動切換定位精度選項。蘋果最新推出的AirTag之所以引發(fā)了不小的關(guān)注，就是以為它采用的定位技術(shù)并不在上述定位功能的名單中。

UWB定位 AirTag的秘密所在

在AirTag之前，市面上可以買到無數(shù)可以用于定位追蹤的產(chǎn)品，比如兒童手表、老年手環(huán)抑或車輛防盜器等。這些產(chǎn)品的原理，大都是內(nèi)置衛(wèi)星、Wi-Fi、藍牙等定位模塊，且可加裝SIM卡或集成eSIM卡，通過所謂的“x重定位技術(shù)”幫助用戶在手機上隨時查找、監(jiān)聽或通話（圖8）。

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蘋果AirTag和上述產(chǎn)品都不同，它無需SIM卡，里面也沒有Wi-Fi模塊，只需安裝一個紐扣電池就能實現(xiàn)進行長達1年的厘米級定位能力（圖9）。而其獲得此項本領(lǐng)的核心秘密，則是一項名為“UWB”（Ultra-Wide-Band，超寬頻/超寬帶）的技術(shù)（圖10）。UWB以前主要用于工業(yè)場景，因其通訊基于發(fā)射耗時極短的窄脈沖，十分適合通過到達時間差算法（TDOA）計算出通訊距離，實際誤差可控制在厘米級范圍。

我們可以將UWB理解為基于藍牙定位的進階和升級版。藍牙定位的精度大約在3米左右。UWB則可將定位精度提升到10厘米～30厘米（視具體環(huán)境而定），真正實現(xiàn)媲美龍珠雷達般的準(zhǔn)確定位效果（圖11）。

簡單來說，蘋果AirTag和iPhone 11（需要借助U1芯片和相應(yīng)天線設(shè)計）及后續(xù)機型都支持UWB技術(shù)。AirTag可以接收到周邊所有新款iPhone上發(fā)出的無線電信號，而AirTag也會在一小段時間后發(fā)送相同的無線電信號并被周邊的iPhone接收。此時，iPhone就能通過信號接收的時間差和角度計算出其與AirTag之間的距離和位置，實現(xiàn)比藍牙更精準(zhǔn)的定位（圖12）。

為了解決遠距離定位的需求，蘋果搭建了由數(shù)億臺蘋果設(shè)備組成的Find My眾包網(wǎng)絡(luò)，所有開啟Find My功能的蘋果產(chǎn)品（后續(xù)HomePod和Apple Watch等設(shè)備也會引入）都是該網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，它們在日常運行時都能以低頻BLE（藍牙低功耗）模式進行數(shù)據(jù)廣播，從而使附近其他蘋果設(shè)備和AirTag通過UWB交換信息，進而檢測出附近有沒有丟失的設(shè)備或物品（圖13），而你也能借助Find My眾包網(wǎng)絡(luò)尋找自己丟失的AirTag。最關(guān)鍵的是，整個UWB交換信息的過程都經(jīng)過了加密，無需擔(dān)心個人隱私泄露的問題。

換句話說，周圍新iPhone越多，AirTag的定位越精準(zhǔn)，查找越方便。但如果你將綁著AirTag的東西丟在了沒有新iPhone或其他支持UWB技術(shù)蘋果設(shè)備的地方，那你就不要指望可以找到AirTag了。

它通過藍牙進行數(shù)據(jù)交換，來檢測附近有沒有丟失的設(shè)備或物品;如果別人的蘋果設(shè)備發(fā)現(xiàn)了附近有被主人標(biāo)記為丟失的物件，則會把當(dāng)前的大概位置上報給物件主人，物件附近經(jīng)過的人越多，基于藍牙的大致位置也就會更準(zhǔn)確。

此外，從用戶的實際反饋來看，由于AirTag的信號發(fā)射功率較低，它的穿透能力較弱，如果放進了金屬外殼的旅行箱里，又或是被包裹在塑料旅行箱中的衣服里，定位精度都會明顯下降。

總的來說，在蘋果設(shè)備集中的鬧市，以及藍牙功能和UWB的攜手助攻下，AirTag堪稱接近完美的尋物標(biāo)簽，它只需一個超小的元件和超低的功耗就與現(xiàn)實世界的精確位置關(guān)聯(lián)了起來，未來有望在增強現(xiàn)實（AR）領(lǐng)域大展拳腳。與此同時，當(dāng)UWB與現(xiàn)有的定位技術(shù)打包后，其定位能力將進一步趨于完美，而我們也希望可以在更開放的Android系統(tǒng)生態(tài)中看到相關(guān)的產(chǎn)品，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)更大的創(chuàng)新。

⒁當(dāng)用戶將手機對準(zhǔn)要分享設(shè)備的方向時，便會在手機屏幕的分享面板上方突出顯示該臺設(shè)備

感知反方向UWB技術(shù)的更多應(yīng)用

實際上，在Android領(lǐng)域也有基于UWB技術(shù)的應(yīng)用。

三星Galaxy Note20 Ultra就是Android陣營首款支持UWB技術(shù)的手機，通過這項技術(shù)率先實現(xiàn)了方便文件高效、準(zhǔn)確傳輸?shù)摹皩?zhǔn)分享”功能（圖14）。未來三星還將進一步擴展UWB技術(shù)的應(yīng)用范圍，比如通過與AR技術(shù)的協(xié)作配合，讓用戶能夠輕松找到同樣支持這一技術(shù)的物品（類似AirTag）?；蚴亲鳛椤皵?shù)字智能鑰匙”，每當(dāng)使用者靠近大門，手機就能自動代勞解鎖。

小米在去年年度也發(fā)布了基于UWB技術(shù)的“一指連”應(yīng)用場景，通過手機實現(xiàn)更便捷的居家操作。比如，將采用小米UWB技術(shù)的手機指向電視，此時手機屏幕就會瞬間打開電視遙控器的界面，即刻進行各種遙控操作。如果將手機指向空調(diào)，手機又會變成空調(diào)遙控器……總之，手機指向哪個設(shè)備就會成為該設(shè)備的控制器，免去了用戶自行查找切換相應(yīng)功能的繁瑣（圖15）。

⒂「一指連」客廳厘米級精準(zhǔn)定位

今年5月中旬，OPPO發(fā)布了全球首個搭載UWB技術(shù)的手機配件——OPPO一鍵聯(lián)手機殼套裝。這套配件可以讓Find X3 Pro在面對繁多的智能家居設(shè)備時，無需在智能家居APP中挨個查找，只需指向想要操控的智能家居設(shè)備即可對其進行操控（圖16），實現(xiàn)“指誰誰聽話”的領(lǐng)先體驗，讓智能家居的操控更加便捷高效。

可以預(yù)見，隨著萬物互融時代的到來，UWB技術(shù)將大幅提升設(shè)備間的空間感知能力，從而提升“端”對于周邊環(huán)境的掌控度，為未來的智能生態(tài)帶來無限的想象空間。