超宽带技术是目前消费级和工业级定位技术中，能够实现最高精度的技术之一。 其典型定位精度可以达到厘米级,在理想环境下甚至可以达到毫米级。
下面我们从几个方面来深入理解其高精度的来源、影响因素以及实际应用中的表现。
为什么UWB定位精度如此之高？
UWB的高精度并非凭空而来，而是由其物理特性和技术原理决定的,核心原因有以下三点：
极大的带宽
这是UWB最根本的特性，根据美国联邦通信委员会的定义，UWB信号的带宽必须大于500MHz，或者中心频率的20%以上（取较大者）。
- 时域分辨率高：带宽和时间分辨率在数学上是倒数关系（带宽 ≈ 1 / 脉冲宽度），带宽越大，信号的脉冲宽度就越窄，可以达到皮秒级别，这意味着UWB系统能够以极高的精度测量信号的到达时间。
- 抗多径效应能力强：多径效应是定位误差的主要来源之一，即信号经过反射、衍射后，接收端会收到多个不同时间到达的信号副本，由于UWB脉冲极窄，接收端可以轻松分辨出直接到达的信号（第一径）和反射信号，从而避免反射信号对测距的干扰,保证了测距的准确性。
高精度的测距技术
UWB定位主要基于飞行时间原理,即通过测量信号从发射端到接收端所花费的时间来计算距离。
- 公式：距离 = (光速 × 信号飞行时间) / 2
- 精度来源：如前所述，UWB能以皮秒级的精度测量ToF，光速约为3×10⁸米/秒，一个皮秒（10⁻¹²秒）内光行进的距离约为0.3毫米，理论上，UWB的测距精度可以达到毫米级别，在实际系统中，由于噪声、时钟同步等因素，精度会下降,但厘米级的精度是完全可以实现的。
低功率、高脉冲重复频率
UWB信号是以纳秒甚至皮秒级的窄脉冲形式发送的，脉冲之间有较长的时间间隔,这使得它：
- 功率谱密度极低：信号淹没在环境噪声中，对其他无线系统（如Wi-Fi、蓝牙）干扰很小，可以与其他设备“共存”。
- 可实现高精度TOA测量：通过快速发送和接收脉冲，可以进行多次测量和平均，进一步消除随机误差,提高定位精度。
UWB定位精度的具体数值
UWB的定位精度不是固定的，它会受到多种因素的影响,我们可以将其分为几个等级：
| 精度等级 | 典型范围 | 影响因素 | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|
| 厘米级 (1-10 cm) | 1 cm - 10 cm | - 高信噪比：发射端和接收端距离近，无遮挡。 - 专业级硬件：使用高性能天线和低噪声放大器。 - 先进的算法：采用卡尔曼滤波等算法优化数据。 - 多基站协同：使用4个或以上的基站进行三维定位。 - 无多径环境：如开阔的室内环境。 - 精确同步：基站间时间同步精度高。 - 工业仓储：AGV小车、叉车的精确定位和导航。 - 无人机室内精准降落。 - 增强现实：精确的空间锚点。 - 高价值资产追踪：如贵重设备、医疗设备。 |
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| 亚米级 (10-30 cm) | 10 cm - 30 cm | - 中等信噪比：有一定距离或轻微遮挡。 - 消费级硬件：如手机、标签内置的UWB芯片。 - 算法优化：基本的滤波和定位算法。 - 三基站定位：主要进行二维平面定位。 - 存在一定多径：如普通办公室环境。 - 消费电子：苹果AirTag、三星SmartTag+的查找功能。 - 无钥匙进入汽车：实现精准的“靠近解锁”和“车内定位”。 - 智能家居：设备间的相对位置感知。 |
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| 米级 (30 cm - 1 m) | > 30 cm | - 低信诺比：距离远、严重遮挡（如穿过墙壁）。 - 时钟漂移：设备长时间运行后时钟同步精度下降。 - 算法简化：为降低功耗和计算复杂度而牺牲精度。 - 双基站定位：仅能进行粗略的距离测量。 - 强多径干扰：复杂室内环境（如仓库货架林立）。 - 人员粗略定位：在大型场馆中知道某个人员的大致区域。 - 资产区域管理：知道设备在哪个工位或哪个区域。 |
影响UWB定位精度的主要因素
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视距与非视距：
- 视距：发射端和接收端之间没有障碍物，信号直接传播,这是实现高精度的理想条件。
- 非视距：信号被墙壁、人体、家具等障碍物阻挡，导致信号传播路径变长，飞行时间被拉长，产生正误差,这是影响精度的最主要因素之一。
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多径效应：
（图片来源网络，侵删）即使在视距环境下，信号也可能通过地面、天花板、墙壁等反射到达接收端，如果算法无法正确识别第一径（直接信号），就会引入误差，UWB的抗多径能力虽强,但在极端复杂环境下仍会受影响。
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时钟同步精度：
- ToA测距依赖于基站和标签之间的高度同步，任何时钟上的微小偏差都会被光路放大，成为系统性的定位误差，UWB系统通常使用双向飞行时间等技术来消除或减少时钟同步误差的影响。
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环境干扰：
虽然UWB抗干扰能力强，但在存在强窄带干扰源的环境中,性能仍可能下降。
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硬件性能：
天线质量、射频前端器件的性能、芯片本身的处理能力等都会直接影响测距精度。
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算法与解算模型：
从原始的测距数据到最终的坐标位置，需要通过定位算法（如三边测量法、最小二乘法、卡尔曼滤波等）进行解算,算法的优劣直接决定了最终结果的精度和稳定性。
实际应用中的精度表现
- 苹果AirTag：官方宣传的“精确查找”功能，在无遮挡的室内环境下，精度通常在1-3米，但当你的手机进入“精确查找”模式，距离AirTag非常近时，可以利用UWB的方向 finding（方向寻找）功能，精度可以达到厘米级,并显示方向箭头。
- 汽车无钥匙进入：宝马、奔驰等高端车型使用UWB技术，可以实现当你带着钥匙靠近车门时，车门自动解锁，并能感知钥匙在车内还是车外，精度可达10-30厘米。
- 工业AGV：在自动化仓库中，AGV依靠UWB基站进行厘米级（如±5cm）的定位,以实现精准的路径规划和停靠。
超宽带技术凭借其纳秒级的窄脉冲和TOA测距原理，为无线定位带来了革命性的精度提升，使其成为实现厘米级定位的理想选择。
其最终精度是一个动态变化的值，受环境、硬件、算法等多种因素的综合影响，在实际应用中，需要根据具体场景的需求（是需要厘米级的导航，还是米级的区域感知），来选择合适的UWB解决方案和部署方案,以在成本和性能之间取得最佳平衡。
