9月11日，苹果秋季发布会在史蒂夫·乔布斯剧院举行。以iPhone 11为代表的一系列新品纷纷揭晓，与“果粉”见面。 相信大家已经通过各大媒体的介绍了解了新iPhone的功能和参数。
但有一个细节不知道大家有没有注意到——本次发布的全系列新iPhone均搭载了支持超宽带（UWB）技术的U1芯片。 据官方宣传，这项新技术将显着提升苹果手机的空间感知（Spatial Awareness）能力。 那么问题来了，空间意识是什么意思？ U1芯片到底能做什么？ UWB超宽带技术到底是怎样的黑科技？这一切是否会引发新一轮的智能设备应用创新？ 通过本文，笔者将为您一一揭晓这些问题的答案。
什么是空间感知能力 所谓空间感知能力，就是感知方位的能力。更直接的，就是定位能力。 据苹果介绍，搭载U1芯片的新iPhone进一步完善了手机的定位功能。
它不仅可以感知自己手机的位置，还可以感知周围其他手机的位置。 使用Apple设备提供的无线文件共享功能AirDrop时，基于U1芯片提供的空间感知，只需将你的iPhone指向其他人的iPhone，系统就会优先排序（距离越近，优先级越高）让您更快地共享文件。 说白了，利用U1的定位能力，iPhone 11可以实现“离我越近，响应越快”的应用效果。
说起定位，相信大家都不陌生。我们经常使用高德地图或百度地图等应用程序，它们具有定位和导航服务。
位置服务帮助我们掌握位置信息、指示方向、增加安全感和控制感，给我们的工作和生活带来极大的便利。 那么，UWB技术和我们现在常用的定位技术有什么区别呢？ 现在我们常用的定位技术主要有卫星定位和基站定位。 卫星定位是利用人造地球卫星进行点测量的技术。也是目前应用最广泛、最受用户欢迎的定位技术。
其特点非常突出，那就是精度高、速度快、使用成本低。 众所周知的美国全球定位系统（GPS）、中国的北斗（BDS）、欧洲的伽利略、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）都是卫星定位系统。
基站定位原理与雷达类似。大家都知道，雷达定位就是发射雷达波，根据目标的反射来计算空间位置。 就基站定位而言，基站相当于“雷达”。 通常在一个城市，一部手机会被多个基站覆盖。
手机会“测量”不同基站的下行导频信号，从而获得各个基站的信号TOA（到达时间）或TDOA（到达时间差）。根据这个测量结果，结合基站的坐标，就可以计算出手机的坐标。 画一张图，一看就明白： 以上所有定位方式都有一个明显的缺点，那就是无法穿透建筑物，无法实现室内定位。
卫星定位需要接收机接收到足够的卫星信号。当进入室内或被遮挡时，卫星信号很弱，无法有效定位。 从图中可以看出，当发现的卫星数量减少时，定位误差从10米增大到66米。 一方面，卫星和基站定位技术无法满足室内定位的需求。
另一方面，室内定位的业务场景也越来越多，比如地下车库导航、商场里寻找商店和产品，甚至走失的孩子，这些都对室内定位有迫切的需求。 在需求持续上升的背景下，一系列技术被开发出来，尝试使用其他类型的锚节点来提供定位能力。这包括 Wi-Fi、蓝牙、UWB 和其他技术。
什么是UWB Wi-Fi和蓝牙大家都很熟悉。那么，什么是超宽带？ UWB是Ultra Wideband，超宽带技术。它起源于20世纪60年代出现的脉冲通信技术。 了解通信的同学都知道，一般的通信系统都是采用高频载波来调制窄带信号，通信信号实际占用的带宽并不高。
UWB不同于传统的通信技术。它通过发送和接收纳秒或微秒级别的极窄脉冲来实现无线传输。由于脉冲时间宽度极短，可以实现超宽带频谱：使用的带宽在500MHz以上。 FCC（美国联邦通信委员会）将3.1至10.6GHz共7.5GHz频段分配给UWB，同时对其辐射功率也做了比FCC Part15.209更严格的限制，限制在-41.3dBm频段。
。 简而言之，该技术通过超大带宽和低传输功率，实现低功耗水平下的快速数据传输。 由于UWB脉冲的时间宽度极短，高精度授时也可用于距离测量。 与Wi-Fi、蓝牙定位技术相比，UWB具有以下优势： 1）抗多径能力强，定位精度高：带宽决定了信号在多径环境下的距离分辨能力（与关系 ）。
UWB具有非常宽的带宽和很强的多径解析能力。它可以区分并消除大多数多径干扰信号的影响，获得高精度的定位结果。 UWB能够实现比其他传统系统更高的距离分辨率，在复杂环境下的精度甚至可以达到Wi-Fi、蓝牙等传统系统的一百倍以上。 2）时间戳精度高：超宽带脉冲信号的带宽在纳秒级。
当根据时间计算位置时，引入的误差通常小于几厘米。 3）电磁兼容性强：UWB发射功率低，信号带宽宽，能很好地隐藏在其他类型信号和环境噪声之中。传统接收器无法识别接收，必须与发射器保持一致。
只有扩频码脉冲序列才能被解调，因此不会对其他通信业务造成干扰，也可以避免其他通信设备的干扰。 4）高能效：UWB拥有超过500MHz的射频带宽，可以提供巨大的扩频增益，使得UWB通信系统高能效。
这意味着对于电池供电的设备来说，在相同发射功率限制下，系统的工作时间可以大大延长，或者覆盖范围比传统技术大得多。通常在短距离应用中，UWB发射机的发射功率一般小于1mW；在长距离应用中，无需额外功率放大器即可达到200米的距离，同时实现6.8Mbps的空中速率。
基于以上技术优势，可以利用UWB组成高精度的室内定位系统。 目前常用的UWB测距方法有3种，分别是： (1)TOF（Time of Flight）：通过测量UWB信号在基站与标签之间的飞行时间来实现测距。 (2)TDOA（到达时间差）：UWB信号用于根据标签到达各基站的时间差进行定位。 (3)PDOA（Phase Difference Of Arrival）：利用到达角相位来测量基站与标签之间的方位关系。
由于篇幅限制，我们稍后会详细介绍UWB的算法原理。 UWB产业发展 2002年之前，UWB广泛应用于军事领域。 2002年，FCC（美国联邦通信委员会）如上所述对UWB进行了严格的功率限制，随后解除了对UWB技术的禁令，允许其进入民用领域。
此后，UWB技术进入了快速发展期，各种技术方案也围绕UWB国际标准的制定展开了激烈的竞争。 2007年，IEEE在802.15.4a标准中对UWB技术进行了标准化。
经过近十年的发展，UWB标准也不断完善。 说到UWB产业链，就不得不提到Decawave。 Decawave是目前已知唯一支持IEEE 802.15.4的UWB定位芯片制造商。
他们提供低成本芯片出售，零售价为几美元。芯片型号为DW1000，符合IEEE 802.15.4-2011 UWB标准协议（理想条件下最大可测量范围为300m）。 苹果产品发布后，基于Decawave芯片DW1000的定位厂商INTRANAV连续发了两条推文，声称其套件支持与iPhone11互操作，Decawave也转发了该推文。这表明Apple U1很有可能支持IEEE 802.15.4。
其他从事UWB技术研究的厂商还有Ubisense、BeSpoon等。 这些制造商使用自己的UWB解决方案，通常采用模块套件的形式，但都不支持IEEE 802.15.4。 要实现更好的空间感知，需要应用生态系统的支持。
为了构建完整的应用生态系统，不同制造商的设备需要互操作和兼容。可以预见，未来所有厂商的设备都可能支持IEEE 802.15.4标准。 UWB定位效果 为了客观评判不同的室内定位技术，多个国际组织一直在积极组织室内定位竞赛。
目前国际上备受瞩目的室内定位竞赛有3个： 1）微软室内定位竞赛（MILC） 2）由美国国家标准与技术研究院（NIST）组织的PerfLoc（性能评估）智能手机室内定位应用） 3）国际室内定位与室内导航大会（IPIN）室内定位竞赛：IPIN竞赛 微软MILC竞赛被公认为是高精度室内定位技术评审的最佳舞台。 以下是历年MILC竞赛中基础设施组前三名的成绩列表： 可以看到，从2015年开始，UWB的优势逐渐显露出来，成为最受关注的技术。
前景广阔的高精度定位技术 技术。同时，Decawave的DW1000也是具体定位解决方案中的主流选择。 8 个获奖 UWB 团队中有 7 个使用 DW1000。
2018年比赛首次评估动态精度。比赛场地非常复杂，结果导向性很强。
本次活动值得一提的是来自美国卡内基梅隆大学的Anthony Rowe团队。该团队是室内定位领域的领军者，曾3次排名前三，2018年获得第一名，并列第二名。 更重要的是，团队2018年第一名的技术路线是UWB+增强现实（AR），iPhone 11 Pro成为首款同时支持AR和UWB的手机。
这足以证明团队拥有强大的技术洞察力。 此外，来自中国的南京爱亿电子科技有限公司也值得关注。
他们是一支新兴团队。他们在进入UWB市场一年后参加了2018年的比赛，并取得了并列第二名的成绩。这是迄今为止国内队伍在本次赛事中的最好成绩。
上图是南京爱意队在比赛过程中输出的实时轨迹。可以看到，除少数区域外，大部分区域都输出了高精度的定位坐标。蓝色是激光SLAM的实时轨迹，绿点是中航团队输出的轨迹，红色是矢量误差。
上图是各参赛队的平均定位误差对比。中航工业团队的平均定位误差为0.4米，而几支传统强队，如RaceLogic、俄罗斯研究院等也采用了UWB技术，但只取得了接近1米甚至更差的成绩。这充分说明2018年的竞争异常艰难。
结论 总而言之，新iPhone对UWB的全面支持对于UWB技术的大规模商业推广来说是一个非常宝贵的机会。这也将加速UWB上下游产业链的发展和成熟。
随着5G的到来，我们正在加速迈向万物互联时代，越来越多的物联网设备和应用将会出现。 UWB技术可以根据自身特点与这些物联网场景紧密结合，为用户提供更好的服务体验。
包括智能家居、增强现实、移动支付、护理追踪、地质勘探、室内导航等，都将被UWB技术所利用，具有非常广阔的发展前景。 根据相关机构预测，未来UWB技术将占据室内定位市场30%~40%的份额，预计2022年市场规模将达到164亿美元。