特邀丨传说中苹果的Air Tag定位技术酷在哪里？

关于「Air Tag」的最早传闻在去年四月份已甚嚣尘上，当时外媒提到苹果正在开发一款代号为「B389」的硬件产品，它的作用类似于市面上的其他「蓝牙追踪器」，可以将其和个人物品放在一起，起到定位的作用。

TF证券的分析师郭明錤在一份研究报告中透露，超宽带追踪器的零件可能在2020年的第二季度或第三季度投入大规模生产。

一

科技创新  源于生活

你是否有过这样的烦恼? 早上起床晚了洗漱一下赶紧抄起手机和公文包急冲冲跑出门去，上了公交才发现原来钱包或重要文件没带；又或是已经要迟到的时候，发现家里钥匙不知道丢哪了，找不到没法出门...                           

既然现在智能手机这么普遍，有没有什么办法可以给物品做一个标识，让我可以在手机里对物品进行精确定位，或者物品离开我一定范围手机就会响铃告警呢？答案肯定是有的。

二

从无到有  解决问题

在国外早就有一个名叫Tile的失物标签产品，这是一款使用蓝牙连接技术的寻(失)物标签，你可以把它别在钥匙扣上然后在手机专用App上就可以找到它的定位。国内市场也出现了各种各样的基于蓝牙技术的防丢产品，这类产品的核心技术为基于RSSI的测距。

深度解析

无线信号传输中普遍采用的理论模型为渐变模型（Shadowing Model）：

式中，P(d) 表示距离发射机为d 时接收端收到的信号强度，即RSSI值；P(d0) 表示距离发射机为d0 时接收端接收到的信号强度；d0 为参考距离，一般选择为1米；n表示路径损耗（Pass Loss）指数，通常是由实际测量得到，障碍物越多，n 值越大，从而接收到的平均能量下降的速度会随着距离的增加而变得越来越快；X 是一个以dBm为单位，均值为0的高斯随机变量，反映了当距离一定时，接收到的能量变化，实际应用中一般忽略该参数。

根据RSSI信号强度，蓝牙接收端距离发射端的距离越近，信号强度越强，反之，信号强度越弱。就像对于一个确定光度的光源来说，我们离光源越近，越亮，反之，距离越远亮度就越暗。

为了便于表达和计算，基于RSSI测距的经典模型：

其中，A为无线收发节点相距1m时接收节点接收到的无线信号强度RSSI值，上式给出了RSSI和 d  的函数关系，所以已知接收端接收到的RSSI值就可以算出它和发射端之间的距离。A 和n 都是经验值，和具体使用的硬件节点和无线信号传播的环境密切相关，因此在不同的实际环境下A 和n 的参数不同。

三

技术升级  品质提升

传统的RSSI测距技术其抗干扰能力弱，存在路径损失模型复杂、环境变化容易引起信号严重震荡等不足，从而造成测距误差较大，产品用户体验差，市场推广难度大等问题。

苹果Air tag是一款类似于Tile的小型追踪装置。如果你需要找到你的钥匙、眼镜或其他东西，Airtag将会使用iOS13中的Find My app来帮助你。不同于Tile的寻物方式，苹果Air tag 采用了UWB超宽带技术来作为自家失物标签的通信标准。相比于传统蓝牙RSSI测距技术，UWB以无可比拟的精确测距和测角优势，实现精准的全方位定位追踪，能够提升产品品质及用户体验度。

深度解析

UWB技术是一种使用500MHz以上频率带宽的无线通信技术。它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，由于脉冲时间很短，可以提供极高的时间分辨率（纳秒级），从而实现高精度的测距（厘米级）。

问题1：如何精准测距？

回归问题本质：UWB信号本质是一种电磁波，已知电磁波在空气中的传播速度（ c=3*10^8m/s），想要得到节点A和节点B的路程，就需要知道UWB信号由节点A到节点B的传播时间，如何能够得到传播时间呢？

方法1:

基于到达时间（TOA, Time Of Arrival）测距

该方法要求节点A和节点B的时钟精准同步，由于节点A和节点B都运行于自己本地的时钟，而且两节点实时移动，要实现精准的时钟同步非常困难。但是如果不进行时钟同步，那么两节点直接相减的时间差是没有意义的。所以，这种方式极少被采用。

举个非常简单的例子：小明早上5：00从巴黎起飞，到达北京的当地时间是8：30，小明的飞行时间是多久呢？

我们都知道巴黎时间和北京时间是有时差的（北京时间比巴黎时间早7个小时），如果直接用8:30-5:00得到3个小时零30分钟明显是不正确的，如何得到正常答案呢？

首先，我们需要将北京时间转换为巴黎时间：8:30+7:00=15:30

然后，用到达北京的巴黎时间减去巴黎起飞时间：15:30-5:00=10:30

最后答案：小明从巴黎到北京的飞行时间是10小时零30分钟！

考虑到两个移动节点时钟同步的难度，目前常用的方式为基于双向飞行时间(TW-TOF, Two Way-Time Of Flight）的测距方法，包括：单边双向飞行时间（SS-TW-TOF, Single-sided Two Way-Time Of Flight）测距和双边双向飞行时间（DS-TW-TOF, Double-sided Two Way-Time Of Flight）测距。

方法2：

单边双向飞行时间（SS-TW-TOF, Single-sided Two Way-Time Of Flight）测距

单边双向飞行时间（SS-TW-TOF）测距是对单个往返时间的简单测量。测距流程：节点A主动发送数据，同时记录发送时间戳t0 , 节点B接收到数据后记录接收时间戳t1 ，之后节点B等待预先设置的延时时间（Treply ）后，在时间戳t2  时刻向节点A发送响应数据，节点A接收到数据响应后记录接收时间戳t3 。所以可以得到两个时间差，即节点A的时间差TroundA=t3-t0 和节点B的时间差TreplyB =t2 -t1 ，最终可以得到UWB信号在空气中的传播时间T=TroundA-TreplyB，该时间包含节点A到节点B的往返飞行时间，所以单次节点A到节点B的飞行时间为：  则节点A和节点B之间的距离为：d=c*Ttof。

潜在问题：两个差值时间TroundA 和TreplyB 都是基于各自本地的时钟计算得到的，本地时钟误差可以抵消，但是不同节点之间会存在微小的时钟偏移（TreplyA ≠TreplyB ），而准确的飞行时间，所以计算得到的飞行时间Ttof 会引入A、B两个节点的时钟偏移，从而导致测距产生误差。假设节点A和节点B时钟的实际频率是预期频率的eA 和eB 倍，那么因为时钟偏差引入的误差error 为：不同的时钟偏差和延时时间带来的飞行时间误差如下表所示：

因此得到的飞行时间的误差会随着Treply 和时钟偏移的增加而增加，从而使得测距不准确，因此单边双向飞行时间（SS-TW-TOF）并不常用，但对于特定的应用，如果对精度要求不是很高，而需要更短的测距时间则可以采用该方式。

方法3：

双边双向飞行时间（DS-TW-TOF, Double-sided Two Way-Time Of Flight）测距

双边双向飞行时间（DS-TW-TOF, Double-sided Two Way-Time Of Flight）测距是单边双向飞行时间的一种扩展测距方法，记录了两个往返的时间戳，最后得到的单次飞行时间，虽然增加了相应的时间，但会降低测距误差。

测距流程：节点A主动发送数据，同时记录发送时间戳 t0，节点B接收到数据后记录接收时间戳t1 ，之后节点B等待预先设置的延时时间（Treply ）后，在时间戳t2 时刻向节点A发送响应数据，节点A接收到数据响应后记录接收时间戳t3，并延时一段时间，再次向节点B发送数据，记录发送时间戳t4 ，节点B再次接收到数据后记录接收时间戳t5 。和单边双向飞行时间测距相似，除了可以得到TroundA=t3-t0 和TreplyB =t2 -t1 ，还可以得到TroundB=t5-t2 和TreplyA =t4 -t3 ，从而得到两次往返的飞行时间（即4次单次飞行时间）。

最终得到：

DS测距是在SS测距的基础上再增加一次通讯，两次通讯的时间可以互相弥 补因为时钟偏移引入的误差。由此可以消除A、B两个节点之间的时钟不同步以及时钟偏移。

问题2：如何精准测角？

在进行测角原理解析前，我们需要了解一些基础知识。

电磁波

01

前边已经讲过UWB信号实质是一种电磁波，而电磁波是电磁场的一种运动形态，是在空间传播的周期性变化的电磁场。电场和磁场的振动方向相互垂直，二者和波的传播方向也垂直，所以电磁波是横波。电磁波具有3个基本量：振幅、波长和相位。

波长

02

什么是波长？波长是指波在一个振动周期内传播的距离，也就是沿着波的传播方向，相邻两个振动相位相差2π的点之间的距离。在横波的图像中，两个相邻的波峰（或波谷）x轴上的距离为波长的大小。

无线信号测角的物理基础

03

电磁波在均匀介质中传播的直线性和天线的方向性

由于电磁波沿直线传播，目标发射电磁波到达接收天线的入射角即为目标所在方向。但在实际情况下，电磁波并不是在理想均匀的介质中传播，因而使电磁波传播路径发生偏折，从而造成测角误差。通常在近距测角时，由于此误差不大，仍可近似认为电磁波是直线传播的。当远程测角时，应根据传播介质的情况，对测量数据做出必要修正。

天线的方向性可用它的方向性函数或根据方向性函数画出的方向图表示。方向图的主要技术指标是半功率波束宽度以及副瓣电平。在角度测量时半功率波束宽度的值表征了角度分辨能力并直接影响测角精度，副瓣电平则主要影响天线的抗干扰性能。

测角原理：相位法测角，即利用多个天线所接收电磁波信号之间的相位差进行测角。以二元阵天线为例进行说明：假设在θ 方向有一远区目标，则到达接收点的目标所发射的电磁波近似为平面波，因为接收点两个天线的间距为d ，所以它们所收到的电磁波由于存在波程差ΔR 而产生一个相位差φ 。根据波长的定义可知：相位差2π对应的波程为λ ，而两个天线得到的相位差φ 对应的波程差ΔR=dsinθ ，从而可以得到：最终得到：已知两个天线的间距d 和UWB信号波长λ ，根据得到的相位差φ 即可计算出目标的方向θ 。精准定位根据得到的距离值为d ，角度值为θ ，则利用下述公式：即可得到目标的精准位置信息（x, y） 。UWB技术必须双边支持，也就是说除了Air Tag失物标签采用UWB技术外，iPhone也必须支持UWB技术才能进行配对定位，所以，苹果iPhone11全系列支持UWB超宽频技术是没有任何疑问的。

联睿电子

作为UWB领域深耕多年的技术厂商，联睿电子致力于打造全球知名的无线定位品牌，成为无线精准定位技术行业领军者。

针对UWB防丢寻物，联睿电子研发团队在双边双向飞行时间测距的基础上进行了优化，减少数据交互次数，在不影响测距精度的前提下，降低设备功耗，提高设备的续航能力。目前该技术已成功应用于手机和平板的防盗防丢，借助UWB精准测距技术，顾客能够在店内自由走动体验手机、平板等电子产品，摆脱有线防盗限制，深度享受沉浸式购物体验。在精准测角方面，优化阵元和阵列结构，在小型化的基础上提升了天线性能，大幅度减小了系统噪声，提高了测角精度、测角范围及测角稳定度，能够满足单基站全空间360度精准定位。

UWB技术在消费领域的迅猛发展顺应了电子行业发展的趋势。同时，随着苹果、三星、恩智浦等“领头羊”重视超宽带技术的应用，UWB也将加快成熟的脚步。“联众集思，睿见创新”，在技术创新、万物互联的浪潮里，联睿电子期待用更精准的位置数据，连接智能未来。

作者/肖岩 编辑/张可心
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