下一代汽车钥匙：第三代汽车数字钥匙（UWB/BLE/NFC）
下一代汽车钥匙：第三代汽车数字钥匙（UWB/BLE/NFC）
随着汽车智能化的不断发展，数字钥匙技术已经成为汽车智能化的重要组成部分。从传统的机械钥匙到现在的数字钥匙，汽车钥匙经历了机械钥匙、遥控钥匙、PEPS（无钥匙进入/启动系统）、数字钥匙四个阶段。本文将详细介绍汽车数字钥匙的技术原理、应用场景及其未来发展方向。
汽车钥匙的发展历程
汽车钥匙经历了机械钥匙、遥控钥匙、PEPS（无钥匙进入/启动系统）、数字钥匙四个阶段。目前，数字钥匙已经发展到了第三代，主要基于UWB（超宽带）、BLE（蓝牙低能耗）和NFC（近场通信）技术。
- UWB（Ultra Wideband）：超宽带技术，具有更高的安全性、更快的响应速度和厘米级的定位精度。
- BLE（Bluetooth Low Energy）：蓝牙低能耗技术，功耗较低，适合远距离身份认证和数据交互。
- NFC（Near Field Communication）：近场通信技术，可以在手机没电的情况下使用，但作用距离有限。
2021年7月，CCC（Car Connectivity Consortium）全球车联联盟发布了汽车数字钥匙3.0版规范，明确了第三代数字钥匙是基于UWB/BLE+NFC的互联方案。此后，各大车企纷纷开始布局UWB技术，宝马iX M60、蔚来ET7等车型已经率先应用了UWB数字钥匙。
现阶段汽车广泛采用的无钥匙进入与无钥匙启动系统（PEPS）
PEPS系统主要通过RFID技术实现，作用距离一般是1.5米。其主要功能包括：
无钥匙进入功能：车主携带智能钥匙并触碰车门把手上的电容传感器后，PEPS控制器会驱动门把手上的低频天线扫描智能钥匙，扫描到并且通过认证后，就可以自动开锁。
无钥匙锁车：车主关闭车门并触碰门把手，此时PEPS控制器驱动车内和车外门把手上的低频天线同时扫描智能钥匙，如果车内扫描到钥匙，则无法锁止，如果车内扫描不到钥匙而且车外扫描到了，则锁止。
无钥匙启动功能：当车主携带智能钥匙在车内，按下车内一键启动开关就可以启动车辆发动机。
第三代数字钥匙的技术特点
第三代数字钥匙集成了NFC、BLE、UWB三种模块功能：
BLE：体验和PEPS差不多，主要区别是通过蓝牙把手机变成了汽车虚拟钥匙，蓝牙的功耗较低，在较远的地方可以先进行蓝牙连接，进行身份认证、数据交互，并进行粗略的定位。
UWB（超宽带）：利用飞行时间来精准测量车身UWB模块与数字钥匙之间的距离，可以提供10厘米级的高精度位置感知能力，根据携带数字钥匙的用户与车辆的相对位置启动相关功能。但是由于功耗大所以远距离时需要先使用BLE进行车辆唤醒及授权。
NFC（近场通信）：NFC钥匙必须贴在车上感应器1-2厘米的距离进行刷卡才能感应到从而开锁，在手机没电等特殊情况下，可以采用NFC解锁、启动车辆，因为即使手机没有电NFC功能也是好用的。
数字钥匙的工作过程
- 80米范围内可以先用车内蓝牙模块扫描手机进行蓝牙连接和身份认证以及蓝牙粗略测距，同时唤醒UWB功能。
- 10-20米范围 UWB 启动定位和测距功能。
- 在3-10米的范围内设置为迎宾区，可触发车辆进行迎宾功能的车灯打开或者喇叭提示方便车主找车；走到距车 6 米的距离时，车内照明自动开启。
- 当走到 1-3 米的范围内可以设置为解锁区，可自动解锁车门，自动调节座椅高度，后视镜折叠自动开启。
- 当车主进入到车内，车内UWB锚点扫描到手机UWB信号时，按下启动键可以实现车辆的启动（扫描不到则无法启动）。
用户使用场景
- 数字钥匙授权：车主可以通过手机APP将数字钥匙授权给其他用户，被授权人可以直接通过被授权手机进入和启动车辆。
- 无钥匙进入与无钥匙启动系统：用户携带具备数字钥匙功能的手机。
- 无钥匙进入与无钥匙启动系统：用户携带具备数字钥匙功能的手机，但是手机没有电。
数字钥匙系统构成
一般包括5个UWB模块、1个BLE模块以及两个NFC模块，具体的模块数量需要根据主机厂的功能要求及系统供应商如大陆、科士达的技术特点共同确定。
技术优点
第三代数字钥匙增加了UWB功能，其定位精度和安全性均高于蓝牙，定位覆盖范围大于NFC，因此是实现汽车数字钥匙最优的技术。
定位精度：蓝牙主要是靠识别信号的强弱来测距，所以定位的精度较低一般是1-3米，10m以外蓝牙定位就没有精度可言了，因此定位精度低是蓝牙钥匙最大的缺陷；UWB主要通过TOF飞行时间来测距，因此定位精度高，可达到10-30cm，可以实现厘米级定位。
定位覆盖范围：NFC只能在离感应设备1-2cm处刷卡（或者刷手机）感应，作用距离十分有限；蓝牙只能在10m之内达到相对可靠的定位效果，现有蓝牙钥匙能做到10米定位范围已经非常不容易了；而UWB能很轻松做到10米以上厘米级定位功能，能够实现迎宾、照明开启等更多功能。
安全性：PEPS、蓝牙、NFC都面临的问题是不能防止中继攻击——但是UWB信号中加入了安全时间戳，只有与接收端的滚码相匹配后才能得到对应的时间戳，进而解锁车辆，极大地提升了UWB数字钥匙的防中继攻击能力；另外因为UWB能在30米范围内精确定位钥匙位置，系统也会判定车钥匙不在有效范围内，如此一来攻击者便无法对系统进行欺骗。
UWB的定位算法
UWB目前有三种比较成熟的定位算法，TOA（Time of Arrival，到达时间）、TDOA（Time Difference of Arrival，到达时间差）和AOA（Angel of Arrival，到达角度）。具体实现过程中，一般会采用融合三种定位方法的混合定位方案，实现最优定位性能。
- TOF（Time of flight）：通过测量UWB信号在基站与标签之间飞行的时间来实现测距。
- TDOA（Time Difference of Arrival）：利用UWB信号由标签到达各个基站的时间差来进行定位。
- PDOA（Phase Difference Of Arrival）：利用到达角相位来测量基站与标签之间方位关系。
TOA采用圆周定位法（如下图），通过测量移动终端与三个或更多UWB基站之间的距离来实现定位。利用信号从发出到接收的时间乘以电磁波的传播速度可以得出距离(S=V×t)。通过三圆相交于一点可确定移动终端的位置。然而由于多径、噪声等现象存在，会造成多圆无法相交或相交不是一个点而是一个区域，因此实际上很少单独使用TOA定位，而是综合使用三种方法。
UWB的其他应用场景
CPD车内儿童存在检测：欧洲新车评估计划（E-NCAP）决定从2023年开始将车内儿童存在检测（CPD, Child Presence Detection）纳入测评汽车的评分系统；中国新车评价规程（C-NCAP）正在研究在2025版规程中加入CPD测试项目，为安装该装置的车辆提供加分项。业内一般都是用60GHz毫米波雷达来做，还有一些方案是用摄像头来做，上述方案的缺陷在于成本较高，以及用摄像头来做的话有隐私保护问题。UWB在50-60年代在军用用作探地雷达，UWB雷达多普勒效应可以探测到人体呼吸非常小的动作，因此可以用于活体检测。NXP联合国内方案商做出了CPD系统，车厂反馈不错。
替代脚踢雷达：在汽车脚踢尾厢门的脚踢雷达应用中，传统的方案是超声波和电容感应，但现有脚踢雷达现在体验不好，主要问题在于覆盖范围和灵敏度，UWB是全向天线灵敏度很高，并且可以在30m范围内能够做到厘米级精度，体验比传统方案好很多。在人双手拿着东西时，用脚在后保险杠下踢一下或来个扫堂腿，可以方便的开关尾箱门，这已经成为很多车型的舒适性配置。脚踢尾箱技术也有不同的实现方案，下面做简单比较。
现在大部分脚踢尾箱技术采用电容传感器方案。通过在车尾保险杠内放两条电容天线，通过电容变化可识别人是否有踢腿动作，同时结合车钥匙是否在车尾区域的定位，判断是否要执行开闭尾门的动作。电容脚踢尾箱方案价格较便宜，但一般认为工作不够稳定，容易误触发或失灵。从网上能查到较多车主的反馈，例如：脚踢不够灵敏经常踢不开，下雨时尤其严重；或者在洗车的时候人从尾门走过时，会误触发电动尾门开关自动打开后备箱。理论上电容方案对电磁干扰也较为敏感，当周边电磁环境复杂时容易失灵。
毫米波雷达是一种备选替代方案，通过对毫米波雷达回波的分析，可以有效检测踢腿的动作。并且毫米波不受周边电磁环境的干扰，雨水的影响也不大。目前车载毫米波脚踢尾箱雷达最大的问题是价格较昂贵（相比电容方案和UWB雷达方案）。
UWB雷达提供了另一种选项。稳定性足够高（相比电容方案），成本适中（比电容方案贵，比毫米波方案便宜），低功耗（低于毫米波雷达）。
UWB也可以用于具备自动开启功能的车门在开启时识别障碍物以及车辆自动泊车等工况。