一、UWB 技術(shù)概述
UWB（Ultra Wide Band）即超寬帶，是一種利用納米至微米級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù) 。按照美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）定義，其帶寬比中心頻率高 25% 或者大于 1.5GHz。UWB 技術(shù)的發(fā)展歷程頗為漫長，其基本思想可追溯到 20 世紀(jì) 40 年代，當(dāng)時(shí)有關(guān)隨機(jī)脈沖系統(tǒng)的專利為其發(fā)展奠定基礎(chǔ)。到了 60 年代，美國軍方率先將其應(yīng)用于雷達(dá)、定位和通信系統(tǒng)中。直至 2002 年，UWB 技術(shù)才首次獲得美國聯(lián)邦通信委員會(huì)批準(zhǔn)用于民用通信，此后相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不斷完善，逐漸在各個(gè)領(lǐng)域嶄露頭角 。
UWB 無線系統(tǒng)包含多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在脈沖信號產(chǎn)生方面，產(chǎn)生寬度為納秒級的脈沖信號源是 UWB 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的前提。產(chǎn)生脈沖源的方法主要有光電法和電子法，光電法具有良好發(fā)展前景，而電子法是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的方式，但在精確控制脈沖發(fā)生時(shí)間上存在一定局限 。信息調(diào)制技術(shù)方面，適用于 UWB 的單脈沖調(diào)制技術(shù)多樣，如脈沖幅值調(diào)制（PAM）、脈沖位置調(diào)制（PPM）、通斷鍵控（OOK）、二相調(diào)制（BPM）和跳時(shí) / 直擴(kuò)二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制（TH/DS - BPSK）等，其中 PPM 和 PAM 是超寬帶無線電的主要調(diào)制方式 。此外，還包括適用于 UWB 的有效天線設(shè)計(jì)方法及接收機(jī)的設(shè)計(jì)方法等。
UWB 技術(shù)具有諸多顯著優(yōu)勢。它對信道衰落不敏感，在復(fù)雜環(huán)境下信號傳輸穩(wěn)定性高；發(fā)射信號功率譜密度低，既能降低對其他設(shè)備的干擾，又具有較低的截獲率，安全性較高；系統(tǒng)復(fù)雜度低，可有效降低設(shè)備成本；尤為突出的是，能提供厘米級的定位精度，這一特性使其在眾多需要高精度定位的領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力 。
二、無人機(jī)領(lǐng)域?qū)Ω呔燃夹g(shù)的需求
隨著無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，其應(yīng)用場景不斷拓展，涵蓋了航拍、物流配送、農(nóng)業(yè)植保、測繪勘探、電力巡檢等諸多領(lǐng)域 。在這些應(yīng)用中，對無人機(jī)的定位精度、通信穩(wěn)定性、協(xié)同作業(yè)能力等方面提出了極高要求 。
以物流配送為例，無人機(jī)需要在復(fù)雜的城市環(huán)境中精準(zhǔn)定位目標(biāo)配送地點(diǎn)，將貨物準(zhǔn)確送達(dá)，若定位精度不足，可能導(dǎo)致貨物投遞錯(cuò)誤，甚至引發(fā)安全事故 。在農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域，無人機(jī)要按照預(yù)設(shè)航線精準(zhǔn)作業(yè)，對農(nóng)田進(jìn)行均勻的農(nóng)藥噴灑或播種，定位偏差會(huì)造成農(nóng)藥噴灑不均勻或播種稀疏，影響農(nóng)作物生長 。測繪勘探時(shí)，無人機(jī)需要精確測量地理信息，高精度定位能保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為后續(xù)分析提供可靠依據(jù) 。
然而，傳統(tǒng)的無人機(jī)定位技術(shù)，如全球定位系統(tǒng)（GPS），雖然在開闊環(huán)境下能提供一定精度的定位服務(wù)，但在城市峽谷、室內(nèi)、森林等復(fù)雜環(huán)境中，由于信號容易受到遮擋、干擾，定位精度大幅下降，無法滿足無人機(jī)在這些場景下的作業(yè)需求 。因此，急需一種高精度、抗干擾能力強(qiáng)的技術(shù)來彌補(bǔ)傳統(tǒng)定位技術(shù)的不足，UWB 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
三、UWB 技術(shù)在無人機(jī)領(lǐng)域的具體應(yīng)用
3.1 無人機(jī)高精度定位與導(dǎo)航
在無人機(jī)定位和導(dǎo)航領(lǐng)域，UWB 技術(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過在無人機(jī)和地面基站之間部署 UWB 設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)的實(shí)時(shí)三維定位 。在復(fù)雜環(huán)境中，如城市高樓林立區(qū)域或室內(nèi)環(huán)境，GPS 信號受到遮擋而減弱或中斷，UWB 技術(shù)憑借其厘米級的定位精度，可作為 GPS 系統(tǒng)的有效補(bǔ)充 。它利用超短基帶脈沖的傳輸特性，通過測量信號在無人機(jī)與基站之間的傳播時(shí)間差（TDOA）或到達(dá)角度（AOA）等方式，精確計(jì)算出無人機(jī)的位置坐標(biāo) 。這種高精度定位使得無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下也能準(zhǔn)確按照預(yù)定航線飛行，極大提高了導(dǎo)航精度和可靠性 。
3.2 無人機(jī)編隊(duì)飛行
在無人機(jī)編隊(duì)飛行應(yīng)用中，UWB 技術(shù)用于無人機(jī)之間的相對定位，確保無人機(jī)在飛行過程中保持合適的距離和相對位置 。當(dāng)多架無人機(jī)組成編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)，如表演、測繪等，需要高度協(xié)同的飛行控制 。UWB 技術(shù)的高精度定位能力使得每架無人機(jī)都能實(shí)時(shí)獲取自身與其他無人機(jī)的相對位置信息，通過飛控系統(tǒng)的協(xié)同算法，調(diào)整飛行姿態(tài)和速度，實(shí)現(xiàn)緊密、整齊的編隊(duì)飛行 。例如，在大型無人機(jī)燈光表演中，借助 UWB 技術(shù)，無人機(jī)能夠精準(zhǔn)地組成各種復(fù)雜圖案，為觀眾呈現(xiàn)精彩的視覺盛宴，有效提高了任務(wù)執(zhí)行效率和觀賞性 。
3.3 無人機(jī)避障與防撞
UWB 技術(shù)在無人機(jī)避障和防撞方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。在無人機(jī)上安裝 UWB 設(shè)備后，可實(shí)時(shí)檢測附近障礙物和其他無人機(jī)的位置信息 。其工作原理是 UWB 設(shè)備發(fā)射的超寬帶信號遇到障礙物后會(huì)反射回來，通過分析反射信號的時(shí)間延遲和強(qiáng)度等參數(shù)，無人機(jī)能夠快速判斷障礙物的距離、方位和大小 。一旦檢測到潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，無人機(jī)的飛控系統(tǒng)會(huì)立即做出反應(yīng)，調(diào)整飛行方向或速度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障和防撞功能 。這一應(yīng)用在無人機(jī)穿越狹窄空間、在密集環(huán)境中飛行或與其他飛行器協(xié)同作業(yè)時(shí)，能有效避免碰撞事故的發(fā)生，保障無人機(jī)飛行安全 。
3.4 無人機(jī)高速數(shù)據(jù)傳輸
UWB 技術(shù)具備高速數(shù)據(jù)傳輸能力，這在無人機(jī)執(zhí)行偵查、監(jiān)控等任務(wù)時(shí)優(yōu)勢明顯，可用于實(shí)時(shí)傳輸高清視頻流 。在一些需要實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場畫面的應(yīng)用場景中，如應(yīng)急救援現(xiàn)場偵查、電力線路巡檢等，無人機(jī)需要將采集到的高清圖像或視頻數(shù)據(jù)快速、穩(wěn)定地傳輸回控制中心 。UWB 技術(shù)的高數(shù)據(jù)傳輸速率能夠滿足這一需求，確?？刂迫藛T及時(shí)、準(zhǔn)確地了解現(xiàn)場情況，做出科學(xué)決策 。與傳統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相比，UWB 技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和速度上更勝一籌，即使在復(fù)雜電磁環(huán)境下，也能保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸 。
3.5 無人機(jī)載荷互聯(lián)
無人機(jī)通常搭載多種載荷，如相機(jī)、傳感器等，UWB 技術(shù)可用于這些載荷之間的高速通信 。通過 UWB 技術(shù)，無人機(jī)上的各種載荷能夠?qū)崿F(xiàn)無縫互聯(lián)，不同載荷采集的數(shù)據(jù)可以快速交互和共享 。例如，在進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測任務(wù)時(shí)，相機(jī)拍攝的圖像數(shù)據(jù)可以迅速傳輸給傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，傳感器的監(jiān)測結(jié)果也能及時(shí)反饋給相機(jī)，調(diào)整拍攝參數(shù)，從而提高無人機(jī)的任務(wù)執(zhí)行能力 。這種高效的載荷互聯(lián)方式優(yōu)化了無人機(jī)系統(tǒng)的整體性能，使其在復(fù)雜任務(wù)中能夠更靈活、高效地運(yùn)行 。