龙珠雷达 从AirTag浅析主流定位技术

最佳精度 從GPS到北斗

由于GPS（Global Positioning System）是开放最早，也是普及度最高的定位系统，所以一提定位和导航，人们很容易就会联想起GPS。实际上，除了GPS，全球范围内还有很多定位系统，比如俄罗斯的GLONASS（格洛纳斯）、欧盟打造的Galileo（伽利略），以及我国自己BDS（中国北斗卫星导航系统）（图1）。

2020年中旬，中国自主建设、独立运行的北斗三号全球卫星导航系统全面建成，并于同年10月全新发布了北斗高精度定位服务平台（北斗定位2.0版），能够实现秒级定位，并将民用应用的手机定位精度提高到1.2米。根据中国信息通信研究院的统计分析，2021年第一季度申请进网的手机中支持定位功能的共计86款，其中68款支持北斗定位，距离北斗全面取代GPS已经指日可待。

①

火速链接

RFID射频识别和NFC也能用于防丢失技术，如果你对它们感兴趣可以参考本刊2021年第10期《嘿，AirTag你才来吗？》这篇文章。

无论北斗、GPS还是其他卫星导航，它们均可不依靠网络而独立存在，其原理都是通过接收至少3颗卫星的信号，从而确定坐标x、y、z和接收机的钟差Vto，最终实现定位追踪功能（图2）。但是，定位导航软件从冷启动到搜索到卫星信号需要一定的耗时，而卫星信号又会受到建筑物和高架桥的影响，其只能保证露天环境下的高精度定位，对于室内导航就无能为力了。

GPS定位的几何关系

③早期的智能手机还能提前下载星图

网络辅助 AGPS补刀

随着智能手机时代的来临，随时联网的特性和卫星导航撞出了火花，并衍生出了一种名为“AGPS”（Assisted GPS）的网络辅助定位技术。需要注意的是，AGPS必须建立在GPS（包括北斗等其他定位导航系统）定位的基础上，如果GPS不能正常工作，AGPS也就无从谈起了。

AGPS的原理是通过网络（2G～5G网络，后来还能通过Wi-Fi信号实现）下载一个卫星信息（图3），并将这个数据传递给GPS系统，GPS在冷启动时第一时间就能锁定到这颗卫星，并根据它的位置信息迅速检索到其他周边卫星从而实现快速定位。和纯GPS相比，AGPS能将首次搜星定位成功的时间从30秒～1分钟缩减到几秒钟，还能在一定程度上缓解卫星信号容易受到建筑物阻挡导致定位失败的问题。

模糊定位LBS基站服务

我们都知道，当电脑接入互联网时会被分配一个IP地址，而IP地址的分配是与地域有关的。因此，通过使用现有的IP地址与区域之间的映射关系，可以将设备对象的位置定位到城市大小的区域。

同理，所有可以通话的手机都会安装SIM卡并接入当地的基站才能通话和访问网络，而每个基站所覆盖的区域是固定的，通过手机接入的基站信息，就能大致计算出手机所处的位置区域（图4）。而这种通过基站定位的方式就是LBS，其成本最低且最具通用性，只是定位误差可能高达数百米甚至更多。

没错，当LBE遇到GPS，就是咱们前面提到的AGPS了。

室内定位Wi-Fi和蓝牙

和基站相比，Wi-Fi路由器和蓝牙发射器的信号覆盖区域要小很多，所以它们可以辅助LBS实现相对更精准的“室内定位”。

其中，WI-Fi定位的原理是当手机开启WLAN后会自动检索到周围所有Wi-Fi AP（无线接入点，可以理解为路由器）的SSID信息（图5），哪怕手机没有接入这些热点，也会与它们产生交互。在这个过程中，手机会在消息中广播自身的MAC地址，而Wi-Fi AP就能根据这个地址以及信号强弱的消息包来进行RSSI（接收信号强度指示）定位了（图6）。不过，Wi-Fi定位对位置地图的要求很高，一旦Wi-Fi AP出现变动都需要重新对地图进行修正。

⑥

虽然Wi-Fi信号的覆盖区域不如基站，但也可以达到数十米到超百米的范围，依旧无法满足室内精准定位的需求。于是，蓝牙的定位出现了。

蓝牙定位的原理同样是基于RSSI信号场强指示，它需要在室内安装若干个蓝牙局域网接入点，并将其设定为基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网的主设备，然后通过测量信号强度获得用户的位置信息（图7）。

可惜，蓝牙是一种2.4GHz的高频信号，容易受到其他无线信号的干扰。为了提升精度，需要添加更多蓝牙局域网接入点，并对RSSI值进行多次获取来平滑结果，随之而来的就是时延的增加以及成本的提升。

实际上，当前智能手机、智能手表以及其他不少穿戴式设备都同时支持上述多种或所有定位功能，包括我们的手机系统设置中也能手动切换定位精度选项。苹果最新推出的AirTag之所以引发了不小的关注，就是以为它采用的定位技术并不在上述定位功能的名单中。

UWB定位 AirTag的秘密所在

在AirTag之前，市面上可以买到无数可以用于定位追踪的产品，比如儿童手表、老年手环抑或车辆防盗器等。这些产品的原理，大都是内置卫星、Wi-Fi、蓝牙等定位模块，且可加装SIM卡或集成eSIM卡，通过所谓的“x重定位技术”帮助用户在手机上随时查找、监听或通话（图8）。

⑧

苹果AirTag和上述产品都不同，它无需SIM卡，里面也没有Wi-Fi模块，只需安装一个纽扣电池就能实现进行长达1年的厘米级定位能力（图9）。而其获得此项本领的核心秘密，则是一项名为“UWB”（Ultra-Wide-Band，超宽频/超宽带）的技术（图10）。UWB以前主要用于工业场景，因其通讯基于发射耗时极短的窄脉冲，十分适合通过到达时间差算法（TDOA）计算出通讯距离，实际误差可控制在厘米级范围。

我们可以将UWB理解为基于蓝牙定位的进阶和升级版。蓝牙定位的精度大约在3米左右。UWB则可将定位精度提升到10厘米～30厘米（视具体环境而定），真正实现媲美龙珠雷达般的准确定位效果（图11）。

简单来说，苹果AirTag和iPhone 11（需要借助U1芯片和相應天线设计）及后续机型都支持UWB技术。AirTag可以接收到周边所有新款iPhone上发出的无线电信号，而AirTag也会在一小段时间后发送相同的无线电信号并被周边的iPhone接收。此时，iPhone就能通过信号接收的时间差和角度计算出其与AirTag之间的距离和位置，实现比蓝牙更精准的定位（图12）。

为了解决远距离定位的需求，苹果搭建了由数亿台苹果设备组成的Find My众包网络，所有开启Find My功能的苹果产品（后续HomePod和Apple Watch等设备也会引入）都是该网络的节点，它们在日常运行时都能以低频BLE（蓝牙低功耗）模式进行数据广播，从而使附近其他苹果设备和AirTag通过UWB交换信息，进而检测出附近有没有丢失的设备或物品（图13），而你也能借助Find My众包网络寻找自己丢失的AirTag。最关键的是，整个UWB交换信息的过程都经过了加密，无需担心个人隐私泄露的问题。

换句话说，周围新iPhone越多，AirTag的定位越精准，查找越方便。但如果你将绑着AirTag的东西丢在了没有新iPhone或其他支持UWB技术苹果设备的地方，那你就不要指望可以找到AirTag了。

它通过蓝牙进行数据交换，来检测附近有没有丢失的设备或物品;如果别人的苹果设备发现了附近有被主人标记为丢失的物件，则会把当前的大概位置上报给物件主人，物件附近经过的人越多，基于蓝牙的大致位置也就会更准确。

此外，从用户的实际反馈来看，由于AirTag的信号发射功率较低，它的穿透能力较弱，如果放进了金属外壳的旅行箱里，又或是被包裹在塑料旅行箱中的衣服里，定位精度都会明显下降。

总的来说，在苹果设备集中的闹市，以及蓝牙功能和UWB的携手助攻下，AirTag堪称接近完美的寻物标签，它只需一个超小的元件和超低的功耗就与现实世界的精确位置关联了起来，未来有望在增强现实（AR）领域大展拳脚。与此同时，当UWB与现有的定位技术打包后，其定位能力将进一步趋于完美，而我们也希望可以在更开放的Android系统生态中看到相关的产品，并在此基础上实现更大的创新。

⒁当用户将手机对准要分享设备的方向时，便会在手机屏幕的分享面板上方突出显示该台设备

感知反方向UWB技术的更多应用

实际上，在Android领域也有基于UWB技术的应用。

三星Galaxy Note20 Ultra就是Android阵营首款支持UWB技术的手机，通过这项技术率先实现了方便文件高效、准确传输的“对准分享”功能（图14）。未来三星还将进一步扩展UWB技术的应用范围，比如通过与AR技术的协作配合，让用户能够轻松找到同样支持这一技术的物品（类似AirTag）。或是作为“数字智能钥匙”，每当使用者靠近大门，手机就能自动代劳解锁。

小米在去年年度也发布了基于UWB技术的“一指连”应用场景，通过手机实现更便捷的居家操作。比如，将采用小米UWB技术的手机指向电视，此时手机屏幕就会瞬间打开电视遥控器的界面，即刻进行各种遥控操作。如果将手机指向空调，手机又会变成空调遥控器……总之，手机指向哪个设备就会成为该设备的控制器，免去了用户自行查找切换相应功能的繁琐（图15）。

⒂「一指连」客厅厘米级精准定位

今年5月中旬，OPPO发布了全球首个搭载UWB技术的手机配件——OPPO一键联手机壳套装。这套配件可以让Find X3 Pro在面对繁多的智能家居设备时，无需在智能家居APP中挨个查找，只需指向想要操控的智能家居设备即可对其进行操控（图16），实现“指谁谁听话”的领先体验，让智能家居的操控更加便捷高效。

可以预见，随着万物互融时代的到来，UWB技术将大幅提升设备间的空间感知能力，从而提升“端”对于周边环境的掌控度，为未来的智能生态带来无限的想象空间。