UWB(Ultra-Wideband，超宽带)技术是一种基于纳秒级窄脉冲的无线通信技术，通过极宽频谱(通常超过500MHz)实现高精度定位与数据传输。在定位系统中，UWB定位模块和UWB定位标签是核心组件，二者协同工作，构成高精度定位网络。以下将从定义、技术特点、工作原理、应用场景及优缺点等多角度展开详细说明。
一、UWB定位模块与标签的基本定义
1. UWB定位模块
UWB定位模块是一种硬件设备，集成UWB芯片、天线、射频前端和处理器，用于发送和接收超宽带信号，并通过算法计算目标位置。其本质是一种无载波通信模块，利用纳秒级非正弦波窄脉冲(脉宽可短至1纳秒)传输数据，具有极宽频带(通常覆盖3.1–10.6GHz)和短暂的时域特性。模块通常分为 基站（Station） 和 标签（Tag） 两种角色：基站固定部署在环境中，负责接收信号;标签附着于目标物体，主动发射信号。
- 核心组件：包括发射器(生成窄脉冲)、接收器(捕获反射信号)、控制器(处理数据)和天线。
- 功能定位：模块可作为独立单元或系统部分，实现厘米级定位、测距、导航及数据传输。
2. UWB定位标签
UWB定位标签是UWB系统的“移动端”，通常为小型化设备(如工牌、手环或卡片)，附着于人员、资产或车辆上。每个标签具有唯一ID，通过该ID将物理对象与定位信息绑定。标签通过发射UWB脉冲信号与基站通信，其设计注重低功耗与小型化，例如尺寸可小至30.15×13.95×5.62毫米，电池寿命可达10年以上。
- 角色区分：在系统中，标签是主动发起测距的单元，而基站响应并计算位置。
- 物理形态：标签结构多样，可通过螺钉、扎带、磁吸等方式固定，适应复杂环境。
二、UWB定位模块与标签的核心功能与技术特点
UWB定位模块的核心功能
高精度定位：通过飞行时间(TOF)或到达时间差(TDOA)算法，实现10–30厘米的定位精度，远高于Wi-Fi或蓝牙(通常为米级)。
多维度定位能力：支持0维(存在性检测)、一维(线性距离)、二维(平面)和三维(空间)定位，适应不同场景需求。
数据传输与同步：利用高带宽特性，支持高速数据传输(如视频流)，并实现纳秒级时间同步，适用于物联网设备协同。
抗干扰与穿透性：因信号功率谱密度低(-41.3dBm/MHz)，对多径衰落和非视距环境不敏感，可穿透墙壁、金属等障碍物。
UWB定位标签的核心功能
唯一标识与绑定：每个标签的ID确保目标对象(如人员或设备)可被唯一追踪，便于管理系统映射。
低功耗运行：采用短脉冲通信，一次发射仅需微焦级能量，支持电池长期工作(如10年以上)，适合可穿戴设备。
实时动态响应：信号延迟低于毫秒级，支持每秒多次位置更新，满足实时跟踪需求(如车辆导航或人员移动)。
技术特点对比与优势
精度与可靠性：UWB技术因窄脉冲的高时间分辨率，测距误差小于10厘米，且不受天气或卫星信号影响(与GPS对比)。
安全性与兼容性：低发射功率使其不易干扰其他设备，且符合全球无线电规范(如FCC标准)。
部署灵活性：模块体积小(如5.62mm厚度)，标签支持大规模并发(单区域可达1500个标签)，降低基站密度需求。
三、UWB定位模块与标签的协同工作原理
UWB定位系统通过模块(基站)与标签的交互实现位置解算，其流程可分为以下步骤：
信号发射与接收：
标签周期性发射UWB窄脉冲信号(脉宽纳秒级)，基站接收信号并记录到达时间。
多个基站(至少3个)通过电缆或无线同步时钟，确保时间一致性。
距离测量：
飞行时间法（TOF） ：通过双向测距计算信号往返时间，公式为 ，精度达10厘米内。
到达时间差法（TDOA） ：标签发送单次信号，多个基站计算到达时间差，通过双曲线方程解算位置，优势是标签功耗低。
位置解算：
以基站为圆心、测距结果为半径画圆，多个圆的交点即为标签位置。因实际误差，需采用卡尔曼滤波等算法优化。
系统将位置数据发送至中央处理单元，生成可视化轨迹(如地图显示)。
动态角色切换：
同一UWB硬件可通过配置切换为基站或标签角色。例如，模块默认作为基站，响应标签信号;通过命令切换为标签后，可主动与指定基站测距。
四、典型应用场景
UWB技术因高精度和可靠性，在以下场景广泛应用：
工业与制造：
人员安全管控：在化工厂或矿山，标签触发电子围栏警报，防止人员进入危险区域;通过热力图分析移动路径，优化作业流程(某汽车厂效率提升18%)。
资产追踪：对高价值工具或设备绑定标签，实现实时定位与防盗(半导体企业资产丢失率下降95%)。
仓储物流：
基站部署于仓库，追踪叉车、货物标签的位置，优化库存管理与调度，精度达厘米级。
智能家居与消费电子：
手机或智能设备集成UWB模块，实现无钥匙开锁、物品防丢(如UWB标签绑定钱包)。
医疗与公共安全：
医院通过人员标签监控患者位置，或用于应急疏散;电厂巡检人员佩戴标签，确保安全作业。
汽车领域：
车载UWB模块用于智能钥匙、泊车辅助及碰撞预警，提升车辆安全性。
五、UWB定位模块与标签的优缺点对比
| 维度 | 优势 | 局限 |
|---|---|---|
| 精度 | 厘米级定位（10–30cm），时间分辨率高 | 成本较高，部署费用优于蓝牙/UWB |
| 功耗 | 标签功耗极低，电池寿命可达10年 | 基站需外部供电，部署复杂度较高 |
| 抗干扰 | 对多径衰落、非视距环境不敏感，穿透力强（可穿墙） | 环境障碍物可能缩减实际范围 |
| 安全性 | 信号功率低，难被截获，且无干扰其他频段 | 技术普及率低，仅部分手机支持UWB功能 |
| 部署规模 | 支持高密度标签并发（单区域1500个以上） | 算法差异导致不同系统精度波动 |
六、未来发展与总结
UWB定位模块与标签作为高精度定位的核心，正推动物联网、智能制造等领域的革新。未来趋势包括：
- 技术融合：与5G、AI算法结合，提升复杂环境下的鲁棒性。
- 成本优化：随着芯片规模化生产，成本有望降低，促进消费级应用普及。
- 标准化：行业协议(如IEEE 802.15.4z)将增强设备兼容性。
总之，UWB定位模块是系统的“大脑”，负责信号处理与计算;而UWB标签是“移动标识”，实现目标对象的精准绑定。二者通过脉冲信号协同工作，在室内外环境中提供厘米级定位能力，成为数字化时代不可或缺的基础技术。