一、UWB 技術概述
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據的無線通信技術 。按照美國聯邦通信委員會（FCC）定義，其帶寬比中心頻率高 25% 或者大于 1.5GHz。UWB 技術的發展歷程頗為漫長，其基本思想可追溯到 20 世紀 40 年代，當時有關隨機脈沖系統的專利為其發展奠定基礎。到了 60 年代，美國軍方率先將其應用于雷達、定位和通信系統中。直至 2002 年，UWB 技術才首次獲得美國聯邦通信委員會批準用于民用通信，此后相關標準不斷完善，逐漸在各個領域嶄露頭角 。
UWB 無線系統包含多項關鍵技術。在脈沖信號產生方面，產生寬度為納秒級的脈沖信號源是 UWB 技術實現的前提。產生脈沖源的方法主要有光電法和電子法，光電法具有良好發展前景，而電子法是當前應用較為廣泛的方式，但在精確控制脈沖發生時間上存在一定局限 。信息調制技術方面，適用于 UWB 的單脈沖調制技術多樣，如脈沖幅值調制（PAM）、脈沖位置調制（PPM）、通斷鍵控（OOK）、二相調制（BPM）和跳時 / 直擴二進制相移鍵控調制（TH/DS - BPSK）等，其中 PPM 和 PAM 是超寬帶無線電的主要調制方式 。此外，還包括適用于 UWB 的有效天線設計方法及接收機的設計方法等。
UWB 技術具有諸多顯著優勢。它對信道衰落不敏感，在復雜環境下信號傳輸穩定性高；發射信號功率譜密度低，既能降低對其他設備的干擾，又具有較低的截獲率，安全性較高；系統復雜度低，可有效降低設備成本；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域極具應用潛力 。
二、無人機領域對高精度技術的需求
隨著無人機技術的飛速發展，其應用場景不斷拓展，涵蓋了航拍、物流配送、農業植保、測繪勘探、電力巡檢等諸多領域 。在這些應用中，對無人機的定位精度、通信穩定性、協同作業能力等方面提出了極高要求 。
以物流配送為例，無人機需要在復雜的城市環境中精準定位目標配送地點，將貨物準確送達，若定位精度不足，可能導致貨物投遞錯誤，甚至引發安全事故 。在農業植保領域，無人機要按照預設航線精準作業，對農田進行均勻的農藥噴灑或播種，定位偏差會造成農藥噴灑不均勻或播種稀疏，影響農作物生長 。測繪勘探時，無人機需要精確測量地理信息，高精度定位能保證采集數據的準確性，為后續分析提供可靠依據 。
然而，傳統的無人機定位技術，如全球定位系統（GPS），雖然在開闊環境下能提供一定精度的定位服務，但在城市峽谷、室內、森林等復雜環境中，由于信號容易受到遮擋、干擾，定位精度大幅下降，無法滿足無人機在這些場景下的作業需求 。因此，急需一種高精度、抗干擾能力強的技術來彌補傳統定位技術的不足，UWB 技術應運而生。
三、UWB 技術在無人機領域的具體應用
3.1 無人機高精度定位與導航
在無人機定位和導航領域，UWB 技術發揮著關鍵作用。通過在無人機和地面基站之間部署 UWB 設備，能夠實現無人機的實時三維定位 。在復雜環境中，如城市高樓林立區域或室內環境，GPS 信號受到遮擋而減弱或中斷，UWB 技術憑借其厘米級的定位精度，可作為 GPS 系統的有效補充 。它利用超短基帶脈沖的傳輸特性，通過測量信號在無人機與基站之間的傳播時間差（TDOA）或到達角度（AOA）等方式，精確計算出無人機的位置坐標 。這種高精度定位使得無人機在復雜環境下也能準確按照預定航線飛行，極大提高了導航精度和可靠性 。
3.2 無人機編隊飛行
在無人機編隊飛行應用中，UWB 技術用于無人機之間的相對定位，確保無人機在飛行過程中保持合適的距離和相對位置 。當多架無人機組成編隊執行任務，如表演、測繪等，需要高度協同的飛行控制 。UWB 技術的高精度定位能力使得每架無人機都能實時獲取自身與其他無人機的相對位置信息，通過飛控系統的協同算法，調整飛行姿態和速度，實現緊密、整齊的編隊飛行 。例如，在大型無人機燈光表演中，借助 UWB 技術，無人機能夠精準地組成各種復雜圖案，為觀眾呈現精彩的視覺盛宴，有效提高了任務執行效率和觀賞性 。
3.3 無人機避障與防撞
UWB 技術在無人機避障和防撞方面具有重要應用價值。在無人機上安裝 UWB 設備后，可實時檢測附近障礙物和其他無人機的位置信息 。其工作原理是 UWB 設備發射的超寬帶信號遇到障礙物后會反射回來，通過分析反射信號的時間延遲和強度等參數，無人機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險，無人機的飛控系統會立即做出反應，調整飛行方向或速度，實現實時避障和防撞功能 。這一應用在無人機穿越狹窄空間、在密集環境中飛行或與其他飛行器協同作業時，能有效避免碰撞事故的發生，保障無人機飛行安全 。
3.4 無人機高速數據傳輸
UWB 技術具備高速數據傳輸能力，這在無人機執行偵查、監控等任務時優勢明顯，可用于實時傳輸高清視頻流 。在一些需要實時獲取現場畫面的應用場景中，如應急救援現場偵查、電力線路巡檢等，無人機需要將采集到的高清圖像或視頻數據快速、穩定地傳輸回控制中心 。UWB 技術的高數據傳輸速率能夠滿足這一需求，確保控制人員及時、準確地了解現場情況，做出科學決策 。與傳統無線數據傳輸技術相比，UWB 技術在數據傳輸的穩定性和速度上更勝一籌，即使在復雜電磁環境下，也能保證數據的可靠傳輸 。
3.5 無人機載荷互聯
無人機通常搭載多種載荷，如相機、傳感器等，UWB 技術可用于這些載荷之間的高速通信 。通過 UWB 技術，無人機上的各種載荷能夠實現無縫互聯，不同載荷采集的數據可以快速交互和共享 。例如，在進行環境監測任務時，相機拍攝的圖像數據可以迅速傳輸給傳感器進行數據分析，傳感器的監測結果也能及時反饋給相機，調整拍攝參數，從而提高無人機的任務執行能力 。這種高效的載荷互聯方式優化了無人機系統的整體性能，使其在復雜任務中能夠更靈活、高效地運行 。