Warum Ultrabreitband der Star der Zukunft für die Indoor-Positionierung sein könnte?

Ultrabreitband (UWB), eine Technologie, die in den 1960er-Jahren entwickelt wurde, erfreut sich in den letzten Jahren wieder wachsender Beliebtheit. Ursprünglich für Kommunikationsanwendungen konzipiert, wird UWB heute auch für hochpräzise Positionierungstechnologien eingesetzt, insbesondere für die Indoor-Positionierung, also die Positionierung im Freien ohne direkte Sonneneinstrahlung. Die Integration von Positionierungs- und Kommunikationsfunktionen in einem Gerät wirkt besonders modern und attraktiv. Im September 2019 kündigte Apple auf seiner iPhone-11-Konferenz die Ausstattung mit dem U1-Chip an. Damit hielt UWB still und leise Einzug in den Verbrauchermarkt. Warum still und leise? Weil Apple diesen geheimnisvollen Chip auf der Pressekonferenz nicht näher erläuterte. Dies könnte jedoch ein Meilenstein für die Indoor-Positionierung sein. Es wird erwartet, dass UWB sein volles Potenzial in den nächsten fünf bis zehn Jahren unter Beweis stellen wird.

Was ist Ultrabreitband-Positionierung? Hier eine kurze Einführung. UWB (Ultra Wide Band) ist eine Ultrabreitband-Technologie. Es handelt sich um eine trägerlose Kommunikationstechnologie, die zur Datenübertragung schmale, nicht-sinusförmige Impulse im Nanosekundenbereich nutzt und daher ein breites Frequenzspektrum abdeckt. Die UWB-Positionierung verwendet Breitband-Impulskommunikation, wodurch sie eine hohe Störfestigkeit aufweist und Positionsfehler reduziert. Die Entwicklung der UWB-Indoor-Positionierungstechnologie hat eine Lücke im Bereich der hochpräzisen Positionierung geschlossen. Sie bietet Vorteile wie Unempfindlichkeit gegenüber Kanalschwund, geringe spektrale Leistungsdichte der gesendeten Signale, geringe Abhöranfälligkeit, geringe Systemkomplexität und ermöglicht eine Positionsgenauigkeit von 0.1 Metern.

Anders als herkömmliche drahtlose Kommunikationssysteme nutzt UWB keine Trägerwellen, sondern überträgt Daten durch das Senden und Empfangen von Impulssignalen mit geringer Energie. Die Entfernungsmessung erfolgt durch die Messung der Signallaufzeit, d. h. durch die Berechnung der Laufzeitdifferenz zwischen zwei Geräten. Daher liefert UWB in kleinen Bereichen präzisere Positionsangaben als WLAN und Bluetooth. Apple bezeichnet es auf seiner englischen Produktseite auch als „GPS-System fürs Wohnzimmer“.

Ein UWB-Indoor-Positionierungssystem besteht üblicherweise aus drei Komponenten: Erstens dem UWB-Positionierungs-Tag. Positionierungs-Tags sind aktive Tags, die in verschiedenen Formen hergestellt und an Objekten, Fahrzeugen oder am Körper getragen werden können. Sie sind vielseitig einsetzbar und erreichen eine Positionsgenauigkeit von bis zu 5–10 cm. Das vom Tag ausgesendete UWB-Pulssignal wird von der Positionierungsbasisstation (Positionierungssensor) empfangen und weitergeleitet. Jeder Tag besitzt eine eindeutige ID-Nummer, über die die zu positionierenden Objekte verknüpft werden können. So kann die Positionierungsbasisstation (der Positionssensor) die tatsächliche Position des Tags ermitteln. Die Dauer des Tag-Sendesignals ist sehr kurz, wodurch Hunderte oder sogar Tausende von Tags gleichzeitig positioniert werden können. Zweitens der UWB-Positionierungsbasisstation. Die Positionierungsbasisstation (der Positionssensor) bestimmt die Position des Tags mittels Laufzeitdifferenzmessung (TDOA) und überträgt die Daten an den Netzwerkcontroller und die Positionierungssoftware. Die Positionsmessgenauigkeit liegt im Zentimeterbereich. Drittens der Anwendungssoftware. Die Anwendungssoftware definiert die Systemfunktionen. Zu den Basisfunktionen des UWB-Indoor-Positionierungssystems gehören: Personenverteilung, Anzeige der Verteilung von Personen mit Ortungs-Tags; Bewegungstrajektorien von Personen, Echtzeitdarstellung der Bewegungstrajektorien einer oder mehrerer Personen auf einer elektronischen Karte; Verfolgung bestimmter Personen, wobei sich die Karte automatisch mit der Bewegung des Tags ändert und der aktuelle Status des Tags durch Bewegen des Mauszeigers über den Tag angezeigt werden kann; elektronischer Zaun, der den Alarmstatus der Person durch verschiedene Farben und Formen auf der flachen elektronischen Karte anzeigt.

UWB-Indoor-Positionierungsverfahren: Zunächst sendet jeder Positionierungs-Tag wiederholt und ununterbrochen Datenframes mit UWB-Impulsen. Anschließend empfängt die Positionierungsbasisstation die vom Positionierungs-Tag gesendeten UWB-Impulsfolgen. Jede Positionierungsbasisstation misst mithilfe eines hochempfindlichen Kurzimpulsdetektors die Ankunftszeit der Datenframes jedes Positionierungs-Tags an der Empfangsantenne. Die Positionierungssoftware ermittelt anhand der vom Tag gesendeten Kalibrierungsdaten die Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen des Tags an verschiedenen Positionierungsbasisstationen und berechnet mithilfe der Drei-Punkt-Positionierungstechnologie und Optimierungsalgorithmen die Position des Tags. Bei der Positionierung mit einer einzelnen Basisstation wird in der Regel der AOA-Algorithmus (Angle of Arrival) verwendet. Bei der Positionierung mit mehreren Basisstationen kommt häufig der TDOA-Algorithmus (Time Difference of Arrival) zum Einsatz.

Die wichtigsten Anwendungsbereiche der UWB-Indoor-Positionierung sind: Erstens, Tunnel, Rohrleitungen und U-Bahnen. Die automatische Echtzeit-Ortung von Bauarbeitern ermöglicht die Verfolgung des Standorts und der Bewegungsabläufe jedes Mitarbeiters im Tunnel sowie die Standortverteilung des gesamten Tunnelpersonals. Im Notfall können zuverlässige Standortinformationen von eingeschlossenen Personen schnell ermittelt werden, um die Effizienz der Rettungsmaßnahmen zu verbessern. Zweitens, Fahrzeuglager. Die Echtzeit-Verfolgung von Anlagen und Beständen optimiert Prozesse, erhöht die Sucheffizienz und reduziert Ressourcenverschwendung. Drittens, die petrochemische Industrie. Die präzise Echtzeit-Ortung von Personen, Fahrzeugen und Objekten ohne Verzögerung spiegelt intuitiv und zeitnah die Bedingungen vor Ort und den Personalstatus der chemischen Industrie wider und verbessert so die Sicherheit und Effizienz. Viertens, Krankenhäuser und Pflegeheime. Intelligentes 24-Stunden-Management und -Steuerung, wetterunabhängige Sicherheitsüberwachung, Echtzeit-Analyse des Verhaltens von Pflegekräften, Besuchern und Patienten/Senioren verbessern die Effizienz des Managements von Krankenhäusern und Pflegeheimen. Der fünfte Anwendungsbereich umfasst Gefängnisse, öffentliche Sicherheit und Justiz. Das UWB-Indoor-Positionierungssystem ermöglicht die Verwaltung von Personenzutritt und -ausgang, Echtzeit-Standortabfragen, die Überwachung von Sperrbereichen, die Kontrolle von Absperrabständen, die Personaleinsatzplanung sowie die Erfassung und Auswertung von Statistiken zu Standort, Wegstrecke, Entfernung und Geschwindigkeit des Personals. Tatsächlich gehen die Anwendungen und Dienste der präzisen UWB-Positionierung weit über diese Aspekte hinaus. Dank der präzisen Positionierung und Verfolgung von Personen, Tieren, Anlagen, Objekten und Prozessen bietet es große Entwicklungsperspektiven im industriellen Internet, bei Konsumgütern und im Daten-IoT. UWB kann sich zu einem raumzeitlichen Sensor und einem unverzichtbaren Partner für das Internet der Dinge und Big Data entwickeln. Es gilt als vielversprechende Technologie in verschiedenen Bereichen wie der hochpräzisen Indoor-Positionierung, der integrierten Indoor- und Outdoor-Positionierung sowie der Innovation in Navigation und Kommunikation.