在大多數(shù)關(guān)于UWB技術(shù)的文獻(xiàn)中，研究重點(diǎn)多聚焦于測(cè)量到小型目標(biāo)的距離。然而，當(dāng)UWB技術(shù)應(yīng)用于車(chē)輛等大型物體時(shí)，僅知曉車(chē)輛上某一單點(diǎn)的距離信息是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。對(duì)于移動(dòng)中的車(chē)輛而言，測(cè)量必須具備相對(duì)性和連續(xù)性。借助多個(gè)UWB傳感器，每輛車(chē)可實(shí)時(shí)計(jì)算出相鄰車(chē)輛四個(gè)角點(diǎn)的相對(duì)位置。在本文的后續(xù)內(nèi)容中，“位置”一詞均指相對(duì)位置。

UWB+V2X的大型目標(biāo)應(yīng)用

在執(zhí)行協(xié)同操作時(shí)，ANS可借助V2V鏈路識(shí)別合適的車(chē)輛并組建車(chē)隊(duì)。車(chē)隊(duì)組建完成后，ANS再次利用V2V鏈路，識(shí)別并初始化相應(yīng)的UWB傳感器，啟動(dòng)持續(xù)測(cè)量。圖1展示了位于兩輛車(chē)角點(diǎn)附近的UWB傳感器如何形成交叉布局。若每輛車(chē)的前、后及兩側(cè)各安裝兩個(gè)傳感器，那么兩輛車(chē)的位置和朝向均可得以確定。每個(gè)UWB鏈路均提供了一種獨(dú)特且安全的精確測(cè)距方法，同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)通信通過(guò)實(shí)現(xiàn)額外細(xì)節(jié)信息的交換，可進(jìn)一步提升安全性。

圖2，利用UWB技術(shù)保持間距和朝向的車(chē)輛編隊(duì)

圖3，車(chē)輛借助V2V與UWB技術(shù)加入車(chē)隊(duì)編組（a），隨后完成并線(xiàn)操作（b）。

高速行駛中的安全性

在涉及多輛車(chē)的高速機(jī)動(dòng)操作中，CAV必須確保無(wú)故障運(yùn)行，這一點(diǎn)至關(guān)重要。隊(duì)列行駛便是常見(jiàn)場(chǎng)景之一（見(jiàn)圖2）；多輛車(chē)以緊密隊(duì)形行進(jìn)，利用前車(chē)尾流降低風(fēng)阻，從而節(jié)省燃油。隊(duì)列行駛不僅有助于卡車(chē)運(yùn)輸行業(yè)提升安全性，還能降低燃油成本、減少尾氣排放、緩解交通擁堵，讓貨物更快送達(dá)。此外，對(duì)于電池容量有限的電動(dòng)汽車(chē)而言，編隊(duì)行駛還能助力其最大化續(xù)航里程。

UWB鏈路可使編隊(duì)行駛的車(chē)輛精準(zhǔn)測(cè)量彼此間距，并保持恰當(dāng)?shù)拈g隔與朝向。在隊(duì)列中，每輛車(chē)都緊隨前車(chē)行駛；此時(shí)，反應(yīng)時(shí)間至關(guān)重要。假設(shè)隊(duì)列以60米/秒（約135英里/小時(shí)）的速度行駛，且車(chē)輛間距為6米（20英尺）；若頭車(chē)突然剎車(chē)，隊(duì)列中的車(chē)輛必須在不到100毫秒的時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，才能避免碰撞。借助UWB技術(shù)，這一要求可輕松實(shí)現(xiàn)。

在多對(duì)多UWB架構(gòu)中，配備四個(gè)傳感器的一個(gè)測(cè)距周期應(yīng)遠(yuǎn)低于10毫秒，具體時(shí)長(zhǎng)取決于具體實(shí)現(xiàn)方案。一個(gè)測(cè)距周期指四個(gè)傳感器完成圖2所示四段距離測(cè)量的總耗時(shí)。對(duì)于以60米/秒速度行駛的車(chē)輛而言，10毫秒的測(cè)距周期意味著車(chē)輛在兩次信息交互間僅行駛60厘米；才能讓系統(tǒng)有充足的時(shí)間安全響應(yīng)頭車(chē)的速度變化。多個(gè)UWB鏈路還能助力編隊(duì)車(chē)輛保持正確朝向。如此一來(lái)，每輛車(chē)的ANS便能跟隨頭車(chē)轉(zhuǎn)彎，始終保持在與頭車(chē)相同的行駛軌跡上。

車(chē)輛并線(xiàn)

并線(xiàn)是CAV可受益于UWB傳感器的另一場(chǎng)景。車(chē)輛需要并線(xiàn)的情況包括從匝道駛?cè)敫咚俟?，或加入已有?chē)輛編隊(duì)等。圖3展示了一輛車(chē)需并入另外兩輛聯(lián)網(wǎng)車(chē)輛中間的場(chǎng)景。ANS首先通過(guò)V2V通信建立連接，組建車(chē)輛群組并傳達(dá)并線(xiàn)需求。隨后，系統(tǒng)會(huì)確定該操作所需的UWB傳感器，對(duì)這些傳感器進(jìn)行初始化，并啟動(dòng)持續(xù)的UWB感知功能（見(jiàn)圖3a）。

接下來(lái)，另外兩輛車(chē)會(huì)形成間隙，以便并線(xiàn)車(chē)輛加入。并線(xiàn)車(chē)輛隨后駛?cè)雰绍?chē)之間的車(chē)道（見(jiàn)圖3b）。ANS會(huì)確定參與并線(xiàn)所需的UWB傳感器。加入隊(duì)列后，UWB傳感器將持續(xù)運(yùn)行，以調(diào)節(jié)車(chē)輛間距與朝向。

UWB與V2P

另一個(gè)極具潛力的關(guān)鍵安全應(yīng)用，是借助UWB技術(shù)與V2P通信的協(xié)同，利用VRU的智能手機(jī)或其它配備UWB功能的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。其工作機(jī)制和V2V通信類(lèi)似：ANS與V2P通信相結(jié)合，能夠判斷周邊是否存在VRU，并隨即啟動(dòng)UWB測(cè)距流程。UWB技術(shù)可精準(zhǔn)追蹤VRU的確切位置，并評(píng)估發(fā)生碰撞的可能性。例如，在圖4所示的三向停車(chē)路口，?？康能?chē)輛可借助UWB傳感器測(cè)定與VRU的距離，從而避免碰撞事故。

強(qiáng)化身份驗(yàn)證，提升安全防護(hù)

UWB還可用于降低聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)面臨的威脅風(fēng)險(xiǎn)。車(chē)聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（CCC）已將UWB納入其數(shù)字鑰匙3.0規(guī)范，使駕駛員能夠安全地使用手機(jī)解鎖并啟動(dòng)車(chē)輛。UWB通過(guò)測(cè)量車(chē)主與車(chē)輛之間的距離來(lái)增強(qiáng)安全性。其確保車(chē)主位于車(chē)輛附近，可有效防范“中間人”式車(chē)輛攻擊——即竊賊攔截并轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自車(chē)主手機(jī)的遠(yuǎn)程信號(hào)，以獲取車(chē)輛訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限。

在V2V通信場(chǎng)景中，車(chē)輛能否信任從其它車(chē)輛接收到的信息，直接關(guān)系到行車(chē)安全。因此，識(shí)別故意或無(wú)意傳輸錯(cuò)誤信息的異常行為主體，是安全保障的核心議題。UWB技術(shù)通過(guò)確保車(chē)輛知曉彼此位置、驗(yàn)證身份真實(shí)性，并檢測(cè)異常違規(guī)行為，來(lái)在車(chē)輛間構(gòu)建必要的信任機(jī)制。這在通信包含關(guān)乎生命安全的關(guān)鍵信息時(shí)尤為重要。表1中的分析總結(jié)了5GAA提出的最為關(guān)鍵的協(xié)同駕駛應(yīng)用場(chǎng)景；在這些場(chǎng)景中，不準(zhǔn)確的信息可能導(dǎo)致致命后果。

UWB傳感器可用于驗(yàn)證通過(guò)V2V通信進(jìn)行交互的車(chē)輛是否確實(shí)位于其標(biāo)示的位置。若其位置與基本安全信息（BSM）或協(xié)同感知信息（CAM）中傳輸?shù)娜蚨ㄎ幌到y(tǒng)（GPS）坐標(biāo)不匹配，則車(chē)輛間的任何交互都將被視為不可信，并可采取相應(yīng)的防范措施。識(shí)別系統(tǒng)中的違規(guī)行為主體并撤銷(xiāo)其認(rèn)證，將有助于確保V2V通信系統(tǒng)的可信度。

在圖5所示的一個(gè)可能引發(fā)致命后果的欺騙攻擊案例中，一輛實(shí)施欺騙攻擊的車(chē)輛（SV）行駛在一輛超車(chē)車(chē)輛（PV）后方，它通過(guò)傳輸錯(cuò)誤的GPS坐標(biāo)，偽裝成位于PV前方，而非實(shí)際的后方位置。若PV請(qǐng)求“超車(chē)透視”信息，SV便可傳輸一幅道路暢通的圖像?；谶@些虛假信息，超車(chē)車(chē)輛會(huì)開(kāi)始超車(chē)，進(jìn)而可能與對(duì)向駛來(lái)的車(chē)輛迎面相撞。不過(guò)，若PV能夠利用UWB技術(shù)驗(yàn)證SV是否確為前方車(chē)輛，便可避免此類(lèi)事故。

圖4，三向停車(chē)路口的三名VRU

圖5，利用UWB檢測(cè)“超車(chē)透視”場(chǎng)景中的欺騙攻擊

實(shí)施欺騙攻擊的車(chē)輛

UWB還可用于在其它應(yīng)用場(chǎng)景中精準(zhǔn)識(shí)別車(chē)輛。例如，當(dāng)車(chē)輛緊跟在兩輛緊密尾隨的車(chē)輛后方時(shí)，可能難以判斷正在與哪一輛車(chē)進(jìn)行通信。此時(shí)，利用UWB測(cè)距功能，便可確認(rèn)與正確車(chē)輛的通信。又如，當(dāng)兩輛車(chē)并排行駛在相鄰車(chē)道時(shí)，若其中一輛車(chē)?yán)脤?shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)調(diào)整其GPS坐標(biāo)，而另一輛車(chē)未作調(diào)整，那么這兩輛車(chē)可能會(huì)報(bào)告相同的位置信息。

表1，可能導(dǎo)致致命后果的典型欺騙攻擊場(chǎng)景

增強(qiáng)CAV傳感器套件

UWB為現(xiàn)有CAV傳感器套件帶來(lái)了卓越的增強(qiáng)功能。其高幀率特性使得反應(yīng)速度遠(yuǎn)超其它任何系統(tǒng)。除了感知能力外，UWB還具備通信功能，從而實(shí)現(xiàn)安全測(cè)距與精準(zhǔn)車(chē)輛識(shí)別。作為一種RF技術(shù)，UWB在惡劣天氣條件下的性能遠(yuǎn)優(yōu)于光學(xué)系統(tǒng)。其體積小巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，使得在車(chē)輛周?chē)荚O(shè)多個(gè)傳感器成為可行的方案。

UWB傳感器系統(tǒng)的簡(jiǎn)潔性有助于車(chē)輛更快速地處理信息并作出響應(yīng)。實(shí)現(xiàn)UWB安全測(cè)距所需的計(jì)算資源相對(duì)較少。相比之下，若不使用UWB，要獲取兩輛車(chē)之間的相對(duì)距離和朝向信息，則需同時(shí)配備雷達(dá)及攝像頭。攝像頭捕捉場(chǎng)景畫(huà)面、分析圖像、提取關(guān)鍵特征，并確定朝向；雷達(dá)負(fù)責(zé)測(cè)量車(chē)輛間的距離，其精度取決于雷達(dá)的分辨率和短距離性能表現(xiàn)。隨后，需通過(guò)傳感器融合技術(shù)合并攝像頭與雷達(dá)的數(shù)據(jù)，這一過(guò)程可能需要原始源數(shù)據(jù)以及龐大的三維圖像處理算法庫(kù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的合并與信息提取。此類(lèi)系統(tǒng)的最大幀率可能比UWB幀率慢3倍以上?；赨WB的系統(tǒng)邏輯簡(jiǎn)單，還降低了因代碼問(wèn)題引發(fā)事故的可能性。

圖6對(duì)CAV傳感器進(jìn)行了對(duì)比；將UWB引入CAV傳感器套件后，可構(gòu)建一個(gè)更可靠、響應(yīng)更快、安全性更高，且精度出色的系統(tǒng)，性?xún)r(jià)比也極高。

圖6，CAV傳感器對(duì)比

總結(jié)

本文所探討的諸多技術(shù)大多已具備現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。802.15.4z規(guī)范支持多對(duì)多的UWB架構(gòu)，為構(gòu)建安全的多點(diǎn)測(cè)距區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（RAN）奠定了基礎(chǔ)。V2V通信定義了車(chē)輛組隊(duì)的能力——這正是篩選參與UWB多對(duì)多RAN車(chē)輛的前提。一旦組隊(duì)完成，就需要相關(guān)規(guī)范來(lái)明確利用V2V鏈路構(gòu)建的系統(tǒng)如何識(shí)別、選擇、初始化并運(yùn)行安全UWB RAN。為推動(dòng)廣泛采用，需制定標(biāo)準(zhǔn)，使不同制造商生產(chǎn)的車(chē)輛上的UWB設(shè)備能夠互聯(lián)互通。Qorvo公司正牽頭推動(dòng)其正在申請(qǐng)專(zhuān)利的UWB + V2X概念，使其成為車(chē)聯(lián)網(wǎng)推廣的關(guān)鍵組成部分。

UWB技術(shù)相較于雷達(dá)或攝像頭，系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單，所需代碼行數(shù)和處理資源遠(yuǎn)少于二者。其實(shí)施成本低廉，精度可達(dá)厘米級(jí)，且延遲低，具備高性?xún)r(jià)比，使制造商能夠構(gòu)建更穩(wěn)健的CAV傳感器套件。

車(chē)聯(lián)網(wǎng)將開(kāi)啟車(chē)輛安全的新紀(jì)元，其關(guān)鍵在于在車(chē)輛間創(chuàng)建可信的通信環(huán)境。UWB通過(guò)精確驗(yàn)證彼此位置與身份，為車(chē)輛間建立信任紐帶，這在傳輸關(guān)乎生命安全的信息時(shí)尤為重要。高速協(xié)同機(jī)動(dòng)是CAV最為關(guān)鍵的操作之一。UWB能夠提供所需的速度和精度，使ANS的反應(yīng)速度遠(yuǎn)超人類(lèi)，甚至快于現(xiàn)有的雷達(dá)及攝像頭系統(tǒng)，從而避免危及生命的險(xiǎn)情。即便在低速行駛時(shí)，車(chē)輛機(jī)動(dòng)也可能引發(fā)致命事故，尤其當(dāng)涉及VRU時(shí)。利用UWB測(cè)量與VRU的距離，導(dǎo)航系統(tǒng)有助于避免事故發(fā)生，防患于未然。