车载UWB节点的PEPS和AVP双功能设计与应用

2021智慧泊车与AVP技术交流论坛上，四川中电昆辰科技有限公司董事长朱晓章发表了《车载UWB节点的PEPS和AVP双功能设计与应用》主题演讲。

以目前各家车厂和手机厂的新产品发布信息来看，UWB定位技术作为PEPS的量产部件上车已经变成确定的现实。什么是PEPS？感应钥匙即PEPS的一种，携带感应钥匙去拉车门，车门会自动解锁；按点火开关，车会自动点火。以前的PEPS采用125KHz LF+RF或者蓝牙实现，从2020年8月25日 IEEE 802.15.4z UWB协议定稿开始，UWB开始变成PEPS的共识标准，并且几乎所有主机厂和手机厂都加入了Car Connectivity Consortium来确认这个共识。这也就意味着在今明两年的新车和新手机上，都会内置UWB收发部件，来承担PEPS功能，同时，这个部分也可以把它用来做AVP的定位。中电昆辰是业界首次利用4z协议完成了TDoA高精度定位的UWB技术与服务商，我们在车端做了一个双功能UWB节点，同时支持 UWB PEPS功能和AVP的高精度TDoA定位。

AVP商业应用——各方落地条件与挑战

AVP的商业应用需要“端、车、场、图”四个主要的参与方，端是指手机端或服务器端，几者之间都通过云或者公共网络连接起来，各部分要能够满足如下的落地条件，AVP就可以商业落地交付。端就是移动端、用户和车主，交互和支付接口都已经成熟，可以认为已经满足落地条件。图中标记绿色的部分都被认为技术成熟或者没有技术难度，包括车端自动驾驶方案，经过全球四五年来上百亿计的资金投入，让一辆车在停车场环境里动起来并不难，但是如果涉及到政策、法律、法规和保险的合规，以及某一个停车场尤其是公共停车场，包括医院、火车站的停车场，是否允许无人驾驶车辆运行，这是商业落地面临的必然挑战，所以“车”这部分的落地条件只差政策许可，可是政策许可往往观望后面的停车场和地图的建设情况。

关于“场”，高精度定位、车位动态更新、场地运营许可，三者缺一不可。场端如何做高精度定位，不管是强场端方案的场遥控车，还是智能车+聪明场的车场协同方案，场端定位设施的建设都涉及到技术和成本挑战。据统计，中国非常有价值的公共停车场，包括商超综合体、三甲医院、政府大楼和机场高铁站，加起来有两三千个，如果不能把场端定位的建设成本做到足够的合理，这么大范围的建设就很难真正商业化落地。紧接着要把这些建成网连起来还面临着挑战，所有建了高精度定位网络的停车场都需要地图，网络建设和地图测绘可以是同步进行的，整体成本都要合理，总体社会成本才能足够低。找到低成本的、高质量的高精度定位技术，这部分商业落地的技术成本挑战就解决了。

我今天跟大家分享的就是停车场场端定位的这部分技术成本挑战，我们已经完全有信心和有机会把它交付出来了。怎么做的呢？我们仔细分析这几者之间，车、端、场、图怎么连接？首先手机和车辆，如果大家最近几年买车很多都可以用手机APP打开自己的车门，来进一步的把车点火开走，这就是用BLE蓝牙的PEPS协议。场端定位是定位一辆车或者说车依赖于场端基础设施的帮助定位来定位车辆自己，必然要建立车和场之间的连接，这段连接最好就是在本地，最好就是车和停车场内的场端设备的互动，如果这条连接的建设成本低、技术标准化、定位性能好、兼容手机端，不光能定位终端，车主的手机也能定位，就把场端定位的技术成本挑战解决了。

伴随着去年IEEE 802.15.4z UWB协议的定稿，几乎所有手机厂和汽车厂都加入了CCC联盟和FiRa联盟，符合这个标准的手机、汽车都会内置UWB收发器，具有高精度定位和测距的能力。我们应该拥抱这个标准，这个标准直接打通了从停车场的场端定位网络到车身再到手机这条完整的信息链。为什么UWB的两个联盟能整串打通呢？我们来看看联盟的成员都是谁，看看这两个联盟的联盟成员，这还仅仅是一部分成员，每天去他们的官网上看都在增加。CCC联盟的主打技术从最早的车钥匙、蓝牙进化到现在的UWB，一直里面都是车企和手机企业。FiRa联盟还包括更多的泛智能终端的厂家，例如智能门锁和智能家居，以及BOSCH这类Tier 1供应商。大家主要的目的就是让车和手机之间能够通过UWB实现连接。更进一步的，如果车上已经有了UWB设备，除了可以让车辆和手机相互定位之外，还可以和停车场内安装的UWB定位设备连接来定位车辆自身。在座的各位专家的手机里面很多已经内置了这样的芯片，iPhone11开始就内置符合IEEE802.15.4z的协议的U1芯片，三星Note 20 Ultra和2021年全系列都内置UWB芯片。小米和OPPO已经发布新闻，蔚来的ET7发布会也展示了内置UWB收发器，在座的华为同事也跟我们确认，将来手机里面用4z协议的UWB芯片是确定的。

苹果有公布过这样一个专利，如果在车身上放几个UWB天线，就能够用车身来定位手机，反过来，如果在墙上放一些UWB的基站，靠车身的点是不是就能够接收信号计算车体的位置了？事实上我们就是这样做到的。

从芯片的角度来讲，NXP推出了NCJ29D5，这是汽车厂目前唯一可用的车规级UWB芯片，再往下看还有BOSCH，这两张PPT是我从BOSCH官网拿过来的，表明了BOSCH认为PEPS方案里面也会由UWB和BLE联合在一起实现这个功能。从这来看我们就知道了，其实UWB上车和UWB进入手机已经是确定的趋势了，UWB将会是手机和汽车之间连接的桥梁。可以传输数据，可以传输授权，最重要的是在做通讯的同时还可以精确地测量二者之间的距离。

我们就来设计一个PEPS和AVP的双功能节点，我们看一下不同Tier1的PEPS不同车载节点参考，比如左边这个车身上布局了五个UWB节点，有两个是在车灯，两个是在尾灯，这个可能乘员舱里面还有两个BLE节点，用这5个蓝色的UWB节点，就可以把用户的手机或者传统的手持钥匙定位出来。当人靠近这辆车的时候这几个节点一起计算，车主从哪个方向靠近的，靠近的是驾驶门、副驾驶门，还是行李舱门，哪个门该解锁，哪个门一伸手就能解锁，这些都是靠这个来实现的。

它们共同的特点是：车身内部和外部部署了多个标准的IEEE802.15.4z的UWB收发节点，只要是符合这个标准的收发节点，它应该就能够接收符合4z协议的UWB信号，不论是来自于手机还是来自于车主的钥匙，还是来自于停车场的UWB基站，因为UWB是全球统一的国际标准了。车身上的这么多UWB节点所收到的UWB报文，目前都会在集中在一个处理器上综合计算，可能是这些车的中央网关，也可能是它们的自动驾驶域控制器，有一个CPU会收集这些节点收到的UWB报文，一起做计算，像右侧图中BCM就在做这个计算。

比如这是我们客户车的布局图，它采用了前大灯和尾灯放置四个UWB PEPS节点，全玻璃的车顶第五个UWB节点，这个节点既可以接收车内的UWB信号，也能接收车外的UWB信号，我们就在第五个节点上面做双功能。好处是什么？首先车身上的UWB收发器有5个，是谁花的钱？不是自动驾驶部门花的钱，这个量产部件的预算不是自动驾驶部门争取来的，是PEPS部门的同事争取来的，因为车总是要有UWB PEPS感应钥匙功能。我们利用第五节点的UWB收发器硬件，接收停车场UWB基站的高精度定位信号，增加了这个车执行AVP时的高精度定位能力，但是没有增加额外的硬件成本。

同时，PEPS和AVP这两个功能、性能完全不妥协。怎么做到的？我们看当它工作在PEPS模式下的时候，这个第五节点所收到的来自手机或者车钥匙的测距报文和另外四个节点的报文一起送到中央网关或域控制器，去做钥匙和手机位置的计算，以及是否可以开门的整套协议。但是当这辆车进入AVP模式的时候，第五节点就开始不断地接收在停车场里铺设的UWB基站播发的符合4z协议的UWB报文。这个报文所包含的信息类似露天状态下收到的卫星定位信号一样，这些UWB定位报文被送到定位计算盒子里，计算出车辆在地库内的坐标并发给自动驾驶控制器。由于我们这个第五节点本身的射频性能会比普通的UWB PEPS节点要好，要应对更复杂的场景，所以当它工作在PEPS模式下的时候也完全满足PEPS的需求。我们这个支持不低于50米以外的路侧以及场端UWB基站所发的信号。

大家肯定更进一步想了解我们在场端做了什么，我们如何把4z协议的标准做到停车场端，最关键的就是这些固定站，每个站都在用IEEE802.15.4z这个协议的报文互相进行通信，每个站之间都在不断地通信，它们不断地在汇报自己的高精度时钟，播发自己当前的时刻以及观测到的周围其他基站的时刻，实现了各个站之间皮秒级（10的负12次方秒）的同步。固定站之间互相同步时钟的报文，加上每个固定站在停车场里面精确的坐标，这两种信息加起来就可以被移动站（车载UWB接收机）收到，就可以精确车身坐标了。凡是符合4z协议的设备，不仅仅是汽车，还有手机，如果手机打开4z的芯片也能收到我们的报文，也能算出自己的坐标。

这张UWB定位网不仅仅可以给车提供服务，也可以给我们的手机提供服务，这张网不仅可以铺设在地下车库给AVP车辆提供服务，也可以用在卫星信号不好的场景，例如高架桥、隧道、下穿立交。固定站之间不需要实现有线的数据连接，分别供电就可以了。这个应用场景比较广，UWB在物理层的协议已经由IEEE协会完成了国际标准的统一，在应用层已经形成了两大联盟，CCC联盟和FiRa联盟，并且成员的重叠性非常高，都是车厂和手机厂。UWB技术在这个场景下为车辆提供低成本、高精度的定位，其实就已经走到大家的眼前了，这个技术成本挑战已经达成了。

我们更进一步的不仅仅做地下的定位，我们还把卫星定位做了融合，做成室内外融合定位盒子，这里面有卫星定位的RTK模组、室内定位UWB模组，一起坐标融合之后直接给到车身，可以直接支持不管是AVP级别的还是车位导航级别的应用。

这是我们做过的一些测试，RTK部分是由ST8100完成的。这辆车在室外用RTK定位，拐了个弯拐下坡道，坡道的时候卫星信号丢掉了，由UWB接手继续定位，进到地下车库完全由UWB进行定位计算，根据客户车身CAN总线的负载率限制UWB以30Hz刷新率输出，其实可以输出到最高200Hz。车辆在地下车库拐个弯，在车位挪几次车再开出地库，回到卫星区域，这是地下车库从外到内、从内到外的完整的数据。

我们如果把这个站装到高速路的隧道里怎么样？没有卫星的区域我们都可以利用低成本的方式让车计算自己的位置，我们跑过三个时速的测试，60、80、120公里每小时。三个误差矢量图可以看到，车的行进方向向上。图示是X方向（车身左右）和Y方向（车身前后）的逐次定位误差分布图，沿车的行进方向并没有出现误差点向车尾方向（Y轴负方向）的偏移，这套系统的实时性很好，120公里的时速对定位性能几乎没有影响。如果要是系统实时性不够好的话，可以想像每次测算得到的坐标都应该向车尾方向偏移，但是从图中的数据看来，93%的点都在真值十厘米以内，这是一个非常好的高速下面实时性的验证。

最后一个环节是我们商业化思考。我们面对的三个挑战，第一是政策和许可挑战，保险有没有政策，商业停车场允不允许这样的车跑。第二个是技术成本的挑战，场端定位的技术成本挑战，我们用UWB定位解决了技术成本挑战。第三个我们怎么去推广覆盖。一起分析可以看出，面对技术成本挑战，UWB的车端硬件上车已经不用额外付出硬件成本了，可以复用PEPS节点车载硬件。

当然，要用这个PEPS硬件计算我们场端UWB基站发出的信号，也是需要鉴权的，当年苹果的iBeacon室内定位可能在座的朋友很多都知道，为什么生态没有起来，就是因为协议上没设计好，没办法鉴权认证，没有人愿意去铺iBeacon。我们用4z协议做成自动驾驶级别的高精度定位的这张网，还要面对主机厂对我们的ASIL B等级的挑战，这张UWB定位服务网背后的技术非常复杂，就像RTK服务商建设了地面增强站之后收取高精度定位服务费一样，我们在车身上的UWB解算软件会有小额的license和NRE费用。

接着看场端的建设成本，可以先看到高亮的绿色文字，低于一家奶茶店的加盟费用，对于一个典型的商超综合体，大几百个车位的地库，并且不光覆盖了UWB场端基站，还包含基站的供电和数据网，以及采集车位动态信息的摄像头和处理器都放进去，形成“高精度的车辆定位、车位的动态更新”关键服务的支撑硬件系统，加上施工所需的辅材和人工、第一年的运维费用全部合计，百分之百覆盖也就是这个数，低于一个奶茶店的加盟费用。

更何况如果我们跟合作伙伴合作，可能车位信息这部分是不需要的，可能合作伙伴直接可以提供它的常驻施工人员来进行网络的铺设和施工架设，最终真正落实到UWB场端基站成本上来讲是远低于这个数的。如果说我们再进一步做个ROI的投入回报测算，假设如果年度订阅，按某辆新车销往C城市，车主买地下车库的高精度定位和地图服务，支持AVP功能，我们假设他只订阅本地车库的服务包（考虑用车习惯，一般大家的私家车都在本地使用），这个服务包里面包含了3sigma 10cm的高精度UWB定位服务、空车位秒级动态更新、AVP高精度地图的实时推送（地图来源可以多样化）。

同时这张网络还支持符合4z UWB协议的手机，如果用户手机也是带UWB的安卓手机，手机也能在地库里进行定位。假设新车AVP订阅覆盖率是5%，次年覆盖率是50%，根据ROI测算结果，覆盖大型城市70%商超地图的投入两年内就可以收回投资。两年就能ROI的事听上去挺诱人的，为什么能做到这个效果，就是采用了标准的UWB无线协议，低廉的建设成本和高质量的定位数据，它能够为我们AVP不论是纯场端方案还是车场协同方案，解决技术成本的挑战，在定位上解决技术成本的挑战。有这么好的位置数据来源，大家都可以放心大胆的把单车智能的AVP功能往公众停车场这类复杂的地方跑起来了。

我们的生态路线可以给大家分享，2017年到2020年，横轴是生态发展的时间轴。纵轴是建设的参与方，运营方、物业方、主机厂和我们。2017年到2020年，我们在车端跟主机厂上汽做了车型的量产开发，当时上汽车型配套的停车场都是上汽的自持物业，他们既是OEM车厂也是物业方，AVP功能的定位服务是我们提供。从去年开始，合作范围迅速扩大，在停车场方面，我们跟地方政府的智能驾驶相关物业方做了合作，这些项目在做的业内人士都知道，比如各种示范区项目，合作伙伴包括运营方和物业方。

从今年开始，我们在上海建成了公开的停车场，成都、北京、广州这些城市我们都会开建公共停车场的覆盖，大家都能把车开下去测的停车场，我们与合作伙伴一起去沟通物业，自己来当运营方来做先行先试的停车场。乘用车这边我们上了多款新车，基本2021年上市的带有UWB PEPS的车型都可以用停车场的服务了，都能够在我们覆盖了的地库里计算高精度定位坐标。

场端运营这边我们有一家正在筹备中的合资公司，来去做一些停车场的投资建设，还有某地文旅发展集团一起来参与，用的都是国际标准的UWB技术方案。从2021年往后，也就是今天想给大家非常重要的信息，我们希望在运营方能有更多的AVP共建伙伴，这些潜在的伙伴包括：停车场服务运营商、地产商和商超业主、OEM、自动驾驶方案商、地图商、地方政府基金都可以共建，一起建设能够支持L4级别的高精度室内定位网络，一起当这张网络的运营商。全国2500个高价值地库的持有方或者停车场经营方都可以来参与。

这张地库高精度定位网络，可以给自动驾驶车辆支持AVP功能，也可以给非自动驾驶的车辆提供精确的车位车库导航。

全国每个停车场大家都跟我们一起投入，也可以按单个城市某一个合作伙伴，在一个城市里资源非常多，那我们就在这个城市合作共建，也可以按项目合作共建。对于合作伙伴，我们会透明建设成本，我们把每一分钱都给大家呈现出来，这个停车场是怎么建的，大家按比例投入现金。如果伙伴的场地资源非常好，我们来出钱，您那边用场地资源可以跟我们做等效现金投入，最后收到高精度地位的服务费我们按比例分成。

AVP是最具有商业化落地的可能的自动驾驶功能，我们已经把场端定位的技术成本挑战突破了，还有一套符合商业逻辑的停车场建设方案，技术方案、商业合作方式方案、背后的经济账全部算清楚的情况下，AVP车场协同方案的商业落地已经近在眼前了。谢谢大家！

原文标题：中电昆辰丨车载UWB节点的PEPS和AVP双功能设计与应用

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