下一代汽車(chē)鑰匙-第三代汽車(chē)數字鑰匙(UWB/BLE/NFC)

最近工作中一直能接觸到數字鑰匙、NFC等概念，所以今天給大家分享一下什么是汽車(chē)數字鑰匙以及它的主要功能及技術(shù)原理。首先介紹一下汽車(chē)鑰匙的發(fā)展歷程。汽車(chē)鑰匙經(jīng)歷了機械鑰匙、遙控鑰匙、PEPS（無(wú)鑰匙進(jìn)入/啟動(dòng)系統）、數字鑰匙（UWB/BLE/NFC三種技術(shù)）四個(gè)階段。下面先簡(jiǎn)單介紹一下UWB、BLE、NFC都分別代表了什么。UWB(Ultra Wideband ):超寬帶、BLE(Bluetooth Low Energy) :藍牙低能耗、NFC(Near Field Communication):近場(chǎng)通信。

數字鑰匙也已經(jīng)發(fā)展了3代，包括第一代的NFC、第二代的BLE，而到了2021 年 7 月，CCC(Car ConnectivityConsortium)全球車(chē)聯(lián)聯(lián)盟發(fā)布了汽車(chē)數字秘鑰3.0版規范，明確了第三代數字鑰匙是基于UWB/BLE(藍牙)+NFC的互聯(lián)方案，UWB 作為數字鑰匙的標準正式公布——自此開(kāi)始，UWB技術(shù)以其更高的安全性、更快的響應速度和厘米級的定位精度，日益為車(chē)企產(chǎn)品創(chuàng )新團隊所矚目，并主動(dòng)推動(dòng)技術(shù)落地。同時(shí)手機廠(chǎng)商從2019 年開(kāi)始相繼推出搭載UWB 技術(shù)的手機，最先應用 UWB 的是 2019 年蘋(píng)果發(fā)布的 iPhone11，加裝 UWB 主要是為了增強空間感知能力，比如在隔空投送時(shí)會(huì )識別投送設備的距離，越近越優(yōu)先，2021 年小米發(fā)布IMX4時(shí)展示的“一指連”功能，主要就是靠UWB技術(shù)實(shí)現，而B(niǎo)LE、NFC早已經(jīng)是手機自帶的最基本功能。在上述因素的驅動(dòng)下，2022 年 1 月上市的寶馬iX M60 和 iXxDrive40 是全球應用 UWB 數字鑰匙的第一款車(chē)型；2022 年 3 月交付的蔚來(lái)ET7是國內首發(fā)UWB的車(chē)型；另外特斯拉、大眾、福特、奧迪、現代、長(cháng)城等車(chē)廠(chǎng)都對UWB技術(shù)開(kāi)始布局。

主要技術(shù)如下：

首先介紹一下現階段汽車(chē)廣泛采用的無(wú)鑰匙進(jìn)入與無(wú)鑰匙啟動(dòng)系，即我們常說(shuō)的PEPS（Passive Entry Passive Start）系統，主要通過(guò)RFID技術(shù)實(shí)現，PEPS 作用距離一般是1.5米（因為低頻天線(xiàn)的偵測范圍一般是0.8-1.5米）。

PEPS主要實(shí)現三個(gè)功能：

（1）無(wú)鑰匙進(jìn)入功能：

需要給到車(chē)主一個(gè)智能鑰匙，當車(chē)主攜帶智能鑰匙并用手觸碰車(chē)門(mén)把手上的電容傳感器后，PEPS 控制器會(huì )驅動(dòng)門(mén)把手上的低頻天線(xiàn)掃描智能鑰匙，掃描到并且通過(guò)認證后，就可以自動(dòng)開(kāi)鎖；

（2）無(wú)鑰匙鎖車(chē)：

車(chē)主關(guān)閉車(chē)門(mén)并觸碰門(mén)把手，此時(shí)PEPS控制器驅動(dòng)車(chē)內和車(chē)外門(mén)把手上的低頻天線(xiàn)同時(shí)掃描智能鑰匙，如果車(chē)內掃描到鑰匙，則無(wú)法鎖止，如果車(chē)內掃描不到鑰匙而且車(chē)外掃描到了，則鎖止。

（3）無(wú)鑰匙啟動(dòng)功能：

當車(chē)主攜帶智能鑰匙在車(chē)內，按下車(chē)內一鍵啟動(dòng)開(kāi)關(guān)就可以啟動(dòng)車(chē)輛發(fā)動(dòng)機。

而下一代數字鑰匙將把鑰匙做到手機里變成虛擬鑰匙，取代實(shí)體智能鑰匙。

第三代數字鑰匙：集成了NFC 、BLE 、UWB 三種模塊功能。

（1）BLE（藍牙）：體驗和 PEPS 差不多，和PEPS的區別主要是通過(guò)藍牙把手機變成了汽車(chē)虛擬鑰匙，藍牙的功耗較低，在較遠的地方可以先進(jìn)行藍牙連接，進(jìn)行身份認證、數據交互，并進(jìn)行粗略的定位。

（2）UWB（超寬帶）：利用飛行時(shí)間來(lái)精準測量車(chē)身UWB模塊與數字鑰匙之間的距離，可以提供10厘米級的高精度位置感知能力，根據攜帶數字鑰匙的用戶(hù)與車(chē)輛的相對位置啟動(dòng)相關(guān)功能。但是由于功耗大所以遠距離時(shí)需要先使用BLE進(jìn)行車(chē)輛喚醒及授權。

（3）NFC（近場(chǎng)通信）：NFC 鑰匙必須貼在車(chē)上感應器1-2厘米的距離進(jìn)行刷卡才能感應到從而開(kāi)鎖，在手機沒(méi)電等特殊情況下，可以采用NFC解鎖、啟動(dòng)車(chē)輛，因為即使手機沒(méi)有電NFC功能也是好用的(這個(gè)我之前不知道)。

數字鑰匙的工作過(guò)程：

（1）80 米范圍內可以先用車(chē)內藍牙模塊掃描手機進(jìn)行藍牙連接和身份認證以及藍牙粗略測距，同時(shí)喚醒UWB功能。

（2）10-20米范圍 UWB 啟動(dòng)定位和測距功能。

（3）在3-10米的范圍內設置為迎賓區，可觸發(fā)車(chē)輛進(jìn)行迎賓功能的車(chē)燈打開(kāi)或者喇叭提示方便車(chē)主找車(chē)；走到距車(chē) 6 米的距離時(shí)，車(chē)內照明自動(dòng)開(kāi)啟。

（4）當走到 1-3 米的范圍內可以設置為解鎖區，可自動(dòng)解鎖車(chē)門(mén)，自動(dòng)調節座椅高度，后視鏡折疊自動(dòng)開(kāi)啟。

（5）當車(chē)主進(jìn)入到車(chē)內，車(chē)內UWB錨點(diǎn)掃描到手機UWB信號時(shí)，按下啟動(dòng)鍵可以實(shí)現車(chē)輛的啟動(dòng)（掃描不到則無(wú)法啟動(dòng)）。

用戶(hù)使用場(chǎng)景：

（1）數字鑰匙授權：

車(chē)主可以通過(guò)手機APP將數字鑰匙授權給其他用戶(hù)，被授權人可以直接通過(guò)被授權手機進(jìn)入和啟動(dòng)車(chē)輛。

（2）無(wú)鑰匙進(jìn)入與無(wú)鑰匙啟動(dòng)系統：用戶(hù)攜帶具備數字鑰匙功能的手機。

（3）無(wú)鑰匙進(jìn)入與無(wú)鑰匙啟動(dòng)系統：用戶(hù)攜帶具備數字鑰匙功能的手機，但是手機沒(méi)有電。

數字鑰匙系統構成：

一般包括5個(gè)UWB模塊、1個(gè)BLE模塊以及兩個(gè)NFC模塊，具體的模塊數量需要根據主機廠(chǎng)的功能要求及系統供應商如大陸、科士達的技術(shù)特點(diǎn)共同確定。

技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

第三代數字鑰匙增加了UWB功能，其定位精度和安全性均高于藍牙，定位覆蓋范圍大于 NFC，因此是實(shí)現汽車(chē)數字鑰匙最優(yōu)的技術(shù)。

（1）定位精度：藍牙主要是靠識別信號的強弱來(lái)測距，所以定位的精度較低一般是1-3 米，10m 以外藍牙定位就沒(méi)有精度可言了，因此定位精度低是藍牙鑰匙最大的缺陷；UWB 主要通過(guò) TOF 飛行時(shí)間來(lái)測距，因此定位精度高，可達到10-30cm，可以實(shí)現厘米級定位。

（2）定位覆蓋范圍：NFC 只能在離感應設備1-2cm處刷卡（或者刷手機）感應，作用距離十分有限；藍牙只能在10m之內達到相對可靠的定位效果，現有藍牙鑰匙能做到10 米定位范圍已經(jīng)非常不容易了；而UWB能很輕松做到10米以上厘米級定位功能，能夠實(shí)現迎賓、照明開(kāi)啟等更多功能。

（3）安全性：PEPS、藍牙、NFC 都面臨的問(wèn)題是不能防止中繼攻擊——但是 UWB信號中加入了安全時(shí)間戳，只有與接收端的滾碼相匹配后才能得到對應的時(shí)間戳，進(jìn)而解鎖車(chē)輛，極大地提升了UWB數字鑰匙的防中繼攻擊能力；另外因為UWB能在30米范圍內精確定位鑰匙位置，系統也會(huì )判定車(chē)鑰匙不在有效范圍內，如此一來(lái)攻擊者便無(wú)法對系統進(jìn)行欺騙。

UWB的定位算法:

UWB目前有三種比較成熟的定位算法，TOA（Time of Arrival，到達時(shí)間）、TDOA （Time Difference of Arrival，到達時(shí)間差）和AOA（Angel of Arrival，到達角度）。具體實(shí)現過(guò)程中，一般會(huì )采用融合三種定位方法的混合定位方案，實(shí)現最優(yōu)定位性能。

（1）TOF（Time of flight）：通過(guò)測量UWB信號在基站與標簽之間飛行的時(shí)間來(lái)實(shí)現測距。

（2）TDOA（Time Difference of Arrival）：利用UWB信號由標簽到達各個(gè)基站的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行定位。

（3）PDOA（Phase Difference Of Arrival）：利用到達角相位來(lái)測量基站與標簽之間方位關(guān)系。

TOA采用圓周定位法（如下圖），通過(guò)測量移動(dòng)終端與三個(gè)或更多UWB基站之間的距離來(lái)實(shí)現定位。利用信號從發(fā)出到接收的時(shí)間乘以電磁波的傳播速度可以得出距離(S=V×t)。通過(guò)三圓相交于一點(diǎn)可確定移動(dòng)終端的位置。然而由于多徑、噪聲等現象存在，會(huì )造成多圓無(wú)法相交或相交不是一個(gè)點(diǎn)而是一個(gè)區域，因此實(shí)際上很少單獨使用TOA定位，而是綜合使用三種方法

UWB其它應用場(chǎng)景：

（1）CPD車(chē)內兒童存在檢測：

歐洲新車(chē)評估計劃（E-NCAP）決定從 2023 年開(kāi)始將車(chē)內兒童存在檢測（CPD, Child Presence Detection）納入測評汽車(chē)的評分系統；中國新車(chē)評價(jià)規程（C-NCAP）正在研究在2025版規程中加入CPD測試項目，為安裝該裝置的車(chē)輛提供加分項。業(yè)內一般都是用60GHz毫米波雷達來(lái)做，還有一些方案是用攝像頭來(lái)做，上述方案的缺陷在于成本較高，以及用攝像頭來(lái)做的話(huà)有隱私保護問(wèn)題。UWB 在 50-60年代在軍用用作探地雷達，UWB 雷達多普勒效應可以探測到人體呼吸非常小的動(dòng)作，因此可以用于活體檢測。NXP 聯(lián)合國內方案商做出了CPD系統，車(chē)廠(chǎng)反饋不錯。

（2）替代腳踢雷達：

在汽車(chē)腳踢尾廂門(mén)的腳踢雷達應用中，傳統的方案是超聲波和電容感應，但現有腳踢雷達現在體驗不好，主要問(wèn)題在于覆蓋范圍和靈敏度，UWB 是全向天線(xiàn)靈敏度很高，并且可以在30m范圍內能夠做到厘米級精度，體驗比傳統方案好很多。在人雙手拿著(zhù)東西時(shí)，用腳在后保險杠下踢一下或來(lái)個(gè)掃堂腿，可以方便的開(kāi)關(guān)尾箱門(mén)，這已經(jīng)成為很多車(chē)型的舒適性配置。腳踢尾箱技術(shù)也有不同的實(shí)現方案，下面做簡(jiǎn)單比較。

現在大部分腳踢尾箱技術(shù)采用電容傳感器方案。通過(guò)在車(chē)尾保險杠內放兩條電容天線(xiàn)，通過(guò)電容變化可識別人是否有踢腿動(dòng)作，同時(shí)結合車(chē)鑰匙是否在車(chē)尾區域的定位，判斷是否要執行開(kāi)閉尾門(mén)的動(dòng)作。電容腳踢尾箱方案價(jià)格較便宜，但一般認為工作不夠穩定，容易誤觸發(fā)或失靈。從網(wǎng)上能查到較多車(chē)主的反饋，例如：腳踢不夠靈敏經(jīng)常踢不開(kāi)，下雨時(shí)尤其嚴重；或者在洗車(chē)的時(shí)候人從尾門(mén)走過(guò)時(shí)，會(huì )誤觸發(fā)電動(dòng)尾門(mén)開(kāi)關(guān)自動(dòng)打開(kāi)后備箱。理論上電容方案對電磁干擾也較為敏感，當周邊電磁環(huán)境復雜時(shí)容易失靈。

毫米波雷達是一種備選替代方案，通過(guò)對毫米波雷達回波的分析，可以有效檢測踢腿的動(dòng)作。并且毫米波不受周邊電磁環(huán)境的干擾，雨水的影響也不大。目前車(chē)載毫米波腳踢尾箱雷達最大的問(wèn)題是價(jià)格較昂貴（相比電容方案和UWB雷達方案）。

UWB雷達提供了另一種選項。穩定性足夠高（相比電容方案），成本適中（比電容方案貴，比毫米波方案便宜），低功耗（低于毫米波雷達）。

UWB也可以用于具備自動(dòng)開(kāi)啟功能的車(chē)門(mén)在開(kāi)啟時(shí)識別障礙物以及車(chē)輛自動(dòng)泊車(chē)等工況。