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數字鑰匙以及它的主要功能及技術原理。首先介紹一下汽車鑰匙的發(fā)展歷程。汽車鑰匙經歷了機械鑰匙、遙控鑰匙、PEPS（無鑰匙進入/啟動系統(tǒng)）、數字鑰匙（UWB/BLE/NFC三種技術）四個階段。下面先簡單介紹一下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):近場通信。

數字鑰匙也已經發(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)全球車聯(lián)聯(lián)盟發(fā)布了汽車數字秘鑰3.0版規(guī)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——自此開始，UWB技術以其更高的安全性、更快的響應速度和厘米級的定位精度，日益為車企產品創(chuàng)新團隊所矚目，并主動推動技術落地。同時手機廠商從2019 年開始相繼推出搭載UWB 技術的手機，最先應用 UWB 的是 2019 年蘋果發(fā)布的 iPhone11，加裝 UWB 主要是為了增強空間感知能力，比如在隔空投送時會識別投送設備的距離，越近越優(yōu)先，2021 年小米發(fā)布IMX4時展示的“一指連”功能，主要就是靠UWB技術實現，而BLE、NFC早已經是手機自帶的最基本功能。在上述因素的驅動下，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型；2022 年 3 月交付的蔚來ET7是國內首發(fā)UWB的車型；另外特斯拉、大眾、福特、奧迪、現代、長城等車廠都對UWB技術開始布局。

主要技術如下：

首先介紹一下現階段汽車廣泛采用的無鑰匙進入與無鑰匙啟動系，即我們常說的PEPS（Passive Entry Passive Start）系統(tǒng)，主要通過RFID技術實現，PEPS 作用距離一般是1.5米（因為低頻天線的偵測范圍一般是0.8-1.5米）。

PEPS主要實現三個功能：

（1）無鑰匙進入功能：

需要給到車主一個智能鑰匙，當車主攜帶智能鑰匙并用手觸碰車門把手上的電容傳感器后，PEPS 控制器會驅動門把手上的低頻天線掃描智能鑰匙，掃描到并且通過認證后，就可以自動開鎖；

（2）無鑰匙鎖車：

車主關閉車門并觸碰門把手，此時PEPS控制器驅動車內和車外門把手上的低頻天線同時掃描智能鑰匙，如果車內掃描到鑰匙，則無法鎖止，如果車內掃描不到鑰匙而且車外掃描到了，則鎖止。

（3）無鑰匙啟動功能：

當車主攜帶智能鑰匙在車內，按下車內一鍵啟動開關就可以啟動車輛發(fā)動機。

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(qū)別主要是通過藍牙把手機變成了汽車虛擬鑰匙，藍牙的功耗較低，在較遠的地方可以先進行藍牙連接，進行身份認證、數據交互，并進行粗略的定位。

（2）UWB（超寬帶）：利用飛行時間來精準測量車身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與車輛的相對位置啟動相關功能。但是由于功耗大所以遠距離時需要先使用BLE進行車輛喚醒及授權。

（3）NFC（近場通信）：NFC 鑰匙必須貼在車上感應器1-2厘米的距離進行刷卡才能感應到從而開鎖，在手機沒電等特殊情況下，可以采用NFC解鎖、啟動車輛，因為即使手機沒有電NFC功能也是好用的(這個我之前不知道)。

數字鑰匙的工作過程：

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

（2）10-20米范圍 UWB 啟動定位和測距功能。

（3）在3-10米的范圍內設置為迎賓區(qū)，可觸發(fā)車輛進行迎賓功能的車燈打開或者喇叭提示方便車主找車；走到距車 6 米的距離時，車內照明自動開啟。

（4）當走到 1-3 米的范圍內可以設置為解鎖區(qū)，可自動解鎖車門，自動調節(jié)座椅高度，后視鏡折疊自動開啟。

（5）當車主進入到車內，車內UWB錨點掃描到手機UWB信號時，按下啟動鍵可以實現車輛的啟動（掃描不到則無法啟動）。

用戶使用場景：

（1）數字鑰匙授權：

車主可以通過手機APP將數字鑰匙授權給其他用戶，被授權人可以直接通過被授權手機進入和啟動車輛。

（2）無鑰匙進入與無鑰匙啟動系統(tǒng)：用戶攜帶具備數字鑰匙功能的手機。

（3）無鑰匙進入與無鑰匙啟動系統(tǒng)：用戶攜帶具備數字鑰匙功能的手機，但是手機沒有電。

數字鑰匙系統(tǒng)構成：

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

技術優(yōu)點：

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，因此是實現汽車數字鑰匙最優(yōu)的技術。

（1）定位精度：藍牙主要是靠識別信號的強弱來測距，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 TOF 飛行時間來測距，因此定位精度高，可達到10-30cm，可以實現厘米級定位。

（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，能夠實現迎賓、照明開啟等更多功能。

（3）安全性：PEPS、藍牙、NFC 都面臨的問題是不能防止中繼攻擊——但是 UWB信號中加入了安全時間戳，只有與接收端的滾碼相匹配后才能得到對應的時間戳，進而解鎖車輛，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(tǒng)也會判定車鑰匙不在有效范圍內，如此一來攻擊者便無法對系統(tǒng)進行欺騙。

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，到達時間）、TDOA （Time Difference of Arrival，到達時間差）和AOA（Angel of Arrival，到達角度）。具體實現過程中，一般會采用融合三種定位方法的混合定位方案，實現最優(yōu)定位性能。

（1）TOF（Time of flight）：通過測量UWB信號在基站與標簽之間飛行的時間來實現測距。

（2）TDOA（Time Difference of Arrival）：利用UWB信號由標簽到達各個基站的時間差來進行定位。

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

TOA采用圓周定位法（如下圖），通過測量移動終端與三個或更多UWB基站之間的距離來實現定位。利用信號從發(fā)出到接收的時間乘以電磁波的傳播速度可以得出距離(S=V×t)。通過三圓相交于一點可確定移動終端的位置。然而由于多徑、噪聲等現象存在，會造成多圓無法相交或相交不是一個點而是一個區(qū)域，因此實際上很少單獨使用TOA定位，而是綜合使用三種方法

UWB其它應用場景：

（1）CPD車內兒童存在檢測：

歐洲新車評估計劃（E-NCAP）決定從 2023 年開始將車內兒童存在檢測（CPD, Child Presence Detection）納入測評汽車的評分系統(tǒng)；中國新車評價規(guī)程（C-NCAP）正在研究在2025版規(guī)程中加入CPD測試項目，為安裝該裝置的車輛提供加分項。業(yè)內一般都是用60GHz毫米波雷達來做，還有一些方案是用攝像頭來做，上述方案的缺陷在于成本較高，以及用攝像頭來做的話有隱私保護問題。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(tǒng)，車廠反饋不錯。

（2）替代腳踢雷達：

在汽車腳踢尾廂門的腳踢雷達應用中，傳統(tǒng)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，主要問題在于覆蓋范圍和靈敏度，UWB 是全向天線靈敏度很高，并且可以在30m范圍內能夠做到厘米級精度，體驗比傳統(tǒng)方案好很多。在人雙手拿著東西時，用腳在后保險杠下踢一下或來個掃堂腿，可以方便的開關尾箱門，這已經成為很多車型的舒適性配置。腳踢尾箱技術也有不同的實現方案，下面做簡單比較。

現在大部分腳踢尾箱技術采用電容傳感器方案。通過在車尾保險杠內放兩條電容天線，通過電容變化可識別人是否有踢腿動作，同時結合車鑰匙是否在車尾區(qū)域的定位，判斷是否要執(zhí)行開閉尾門的動作。電容腳踢尾箱方案價格較便宜，但一般認為工作不夠穩(wěn)定，容易誤觸發(fā)或失靈。從網上能查到較多車主的反饋，例如：腳踢不夠靈敏經常踢不開，下雨時尤其嚴重；或者在洗車的時候人從尾門走過時，會誤觸發(fā)電動尾門開關自動打開后備箱。理論上電容方案對電磁干擾也較為敏感，當周邊電磁環(huán)境復雜時容易失靈。

毫米波雷達是一種備選替代方案，通過對毫米波雷達回波的分析，可以有效檢測踢腿的動作。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。目前車載毫米波腳踢尾箱雷達最大的問題是價格較昂貴（相比電容方案和UWB雷達方案）。

UWB雷達提供了另一種選項。穩(wěn)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開啟功能的車門在開啟時識別障礙物以及車輛自動泊車等工況。