一、UWB 技术概述
UWB（Ultra Wide Band）即超宽带，是一种利用纳米至微米级的非正弦波窄脉冲传输数据的无线通信技术 。按照美国联邦通信委员会（FCC）定义，其带宽比中心频率高 25% 或者大于 1.5GHz。UWB 技术的发展历程颇为漫长，其基本思想可追溯到 20 世纪 40 年代，当时有关随机脉冲系统的专利为其发展奠定基础。到了 60 年代，美国军方率先将其应用于雷达、定位和通信系统中。直至 2002 年，UWB 技术才首次获得美国联邦通信委员会批准用于民用通信，此后相关标准不断完善，逐渐在各个领域崭露头角 。
UWB 无线系统包含多项关键技术。在脉冲信号产生方面，产生宽度为纳秒级的脉冲信号源是 UWB 技术实现的前提。产生脉冲源的方法主要有光电法和电子法，光电法具有良好发展前景，而电子法是当前应用较为广泛的方式，但在精确控制脉冲发生时间上存在一定局限 。信息调制技术方面，适用于 UWB 的单脉冲调制技术多样，如脉冲幅值调制（PAM）、脉冲位置调制（PPM）、通断键控（OOK）、二相调制（BPM）和跳时 / 直扩二进制相移键控调制（TH/DS - BPSK）等，其中 PPM 和 PAM 是超宽带无线电的主要调制方式 。此外，还包括适用于 UWB 的有效天线设计方法及接收机的设计方法等。
UWB 技术具有诸多显著优势。它对信道衰落不敏感，在复杂环境下信号传输稳定性高；发射信号功率谱密度低，既能降低对其他设备的干扰，又具有较低的截获率，安全性较高；系统复杂度低，可有效降低设备成本；尤为突出的是，能提供厘米级的定位精度，这一特性使其在众多需要高精度定位的领域极具应用潜力 。
二、无人机领域对高精度技术的需求
随着无人机技术的飞速发展，其应用场景不断拓展，涵盖了航拍、物流配送、农业植保、测绘勘探、电力巡检等诸多领域 。在这些应用中，对无人机的定位精度、通信稳定性、协同作业能力等方面提出了极高要求 。
以物流配送为例，无人机需要在复杂的城市环境中精准定位目标配送地点，将货物准确送达，若定位精度不足，可能导致货物投递错误，甚至引发安全事故 。在农业植保领域，无人机要按照预设航线精准作业，对农田进行均匀的农药喷洒或播种，定位偏差会造成农药喷洒不均匀或播种稀疏，影响农作物生长 。测绘勘探时，无人机需要精确测量地理信息，高精度定位能保证采集数据的准确性，为后续分析提供可靠依据 。
然而，传统的无人机定位技术，如全球定位系统（GPS），虽然在开阔环境下能提供一定精度的定位服务，但在城市峡谷、室内、森林等复杂环境中，由于信号容易受到遮挡、干扰，定位精度大幅下降，无法满足无人机在这些场景下的作业需求 。因此，急需一种高精度、抗干扰能力强的技术来弥补传统定位技术的不足，UWB 技术应运而生。
三、UWB 技术在无人机领域的具体应用
3.1 无人机高精度定位与导航
在无人机定位和导航领域，UWB 技术发挥着关键作用。通过在无人机和地面基站之间部署 UWB 设备，能够实现无人机的实时三维定位 。在复杂环境中，如城市高楼林立区域或室内环境，GPS 信号受到遮挡而减弱或中断，UWB 技术凭借其厘米级的定位精度，可作为 GPS 系统的有效补充 。它利用超短基带脉冲的传输特性，通过测量信号在无人机与基站之间的传播时间差（TDOA）或到达角度（AOA）等方式，精确计算出无人机的位置坐标 。这种高精度定位使得无人机在复杂环境下也能准确按照预定航线飞行，极大提高了导航精度和可靠性 。
3.2 无人机编队飞行
在无人机编队飞行应用中，UWB 技术用于无人机之间的相对定位，确保无人机在飞行过程中保持合适的距离和相对位置 。当多架无人机组成编队执行任务，如表演、测绘等，需要高度协同的飞行控制 。UWB 技术的高精度定位能力使得每架无人机都能实时获取自身与其他无人机的相对位置信息，通过飞控系统的协同算法，调整飞行姿态和速度，实现紧密、整齐的编队飞行 。例如，在大型无人机灯光表演中，借助 UWB 技术，无人机能够精准地组成各种复杂图案，为观众呈现精彩的视觉盛宴，有效提高了任务执行效率和观赏性 。
3.3 无人机避障与防撞
UWB 技术在无人机避障和防撞方面具有重要应用价值。在无人机上安装 UWB 设备后，可实时检测附近障碍物和其他无人机的位置信息 。其工作原理是 UWB 设备发射的超宽带信号遇到障碍物后会反射回来，通过分析反射信号的时间延迟和强度等参数，无人机能够快速判断障碍物的距离、方位和大小 。一旦检测到潜在碰撞风险，无人机的飞控系统会立即做出反应，调整飞行方向或速度，实现实时避障和防撞功能 。这一应用在无人机穿越狭窄空间、在密集环境中飞行或与其他飞行器协同作业时，能有效避免碰撞事故的发生，保障无人机飞行安全 。
3.4 无人机高速数据传输
UWB 技术具备高速数据传输能力，这在无人机执行侦查、监控等任务时优势明显，可用于实时传输高清视频流 。在一些需要实时获取现场画面的应用场景中，如应急救援现场侦查、电力线路巡检等，无人机需要将采集到的高清图像或视频数据快速、稳定地传输回控制中心 。UWB 技术的高数据传输速率能够满足这一需求，确保控制人员及时、准确地了解现场情况，做出科学决策 。与传统无线数据传输技术相比，UWB 技术在数据传输的稳定性和速度上更胜一筹，即使在复杂电磁环境下，也能保证数据的可靠传输 。
3.5 无人机载荷互联
无人机通常搭载多种载荷，如相机、传感器等，UWB 技术可用于这些载荷之间的高速通信 。通过 UWB 技术，无人机上的各种载荷能够实现无缝互联，不同载荷采集的数据可以快速交互和共享 。例如，在进行环境监测任务时，相机拍摄的图像数据可以迅速传输给传感器进行数据分析，传感器的监测结果也能及时反馈给相机，调整拍摄参数，从而提高无人机的任务执行能力 。这种高效的载荷互联方式优化了无人机系统的整体性能，使其在复杂任务中能够更灵活、高效地运行 。