چرا پهنای باند فوق وسیع می‌تواند ستاره آینده موقعیت‌یابی در فضاهای بسته باشد؟

باند فوق وسیع (UWB)، فناوری‌ای که در دهه 1960 مطرح شد، در سال‌های اخیر دوباره مورد توجه مردم قرار گرفته است. در ابتدا، UWB در راستای فناوری کاربرد ارتباطات راه‌اندازی شد، اما اکنون با فناوری موقعیت‌یابی با دقت بالا، به‌ویژه موقعیت‌یابی داخلی، یعنی فناوری موقعیت‌یابی فضایی بدون نوردهی، نیز راه‌اندازی شده است. این فناوری، عملکردهای موقعیت‌یابی و ارتباطی را در یک واحد ادغام می‌کند و ظاهری شیک، دلپذیر و جذاب به آن می‌بخشد. به‌ویژه در سپتامبر 2019، کنفرانس آیفون 11 اپل اعلام کرد که به تراشه U1 مجهز شده است. UWB بی‌سروصدا وارد بازار مصرف شد. چرا بی‌سروصدا؟ زیرا اپل در کنفرانس مطبوعاتی هیچ معرفی از این تراشه مرموز انجام نداد. با این حال، این ممکن است یک رویداد دوران‌ساز برای موقعیت‌یابی داخلی باشد. تخمین زده می‌شود که UWB استعدادهای خود را در پنج تا ده سال آینده نشان خواهد داد.

موقعیت‌یابی فوق پهن‌باند چیست؟ در اینجا مقدمه‌ای کوتاه ارائه شده است. UWB (Ultra Wide Band) فناوری فوق پهن‌باند است. این یک فناوری ارتباطی بدون حامل است که از پالس‌های باریک غیرسینوسی در سطح نانوثانیه برای انتقال داده‌ها استفاده می‌کند، بنابراین طیف وسیعی از طیف را اشغال می‌کند. موقعیت‌یابی UWB از فناوری ارتباط پالس پهن‌باند استفاده می‌کند که توانایی ضد تداخل قوی دارد و خطاهای موقعیت‌یابی را کاهش می‌دهد. ظهور فناوری موقعیت‌یابی داخلی UWB، شکاف موجود در زمینه موقعیت‌یابی با دقت بالا را پر کرده است. این فناوری مزایایی از جمله عدم حساسیت به محو شدن کانال، چگالی طیفی توان پایین سیگنال‌های منتقل شده، قابلیت رهگیری کم، پیچیدگی کم سیستم و ارائه دقت موقعیت‌یابی 0.1 متر را دارد.

برخلاف ارتباطات بی‌سیم سنتی، UWB از امواج حامل استفاده نمی‌کند، بلکه داده‌ها را با ارسال و دریافت سیگنال‌های پالس کم‌انرژی منتقل می‌کند. روش مسافت‌یابی با اندازه‌گیری زمان انتقال سیگنال پیاده‌سازی می‌شود که عبارت است از تعیین فاصله با محاسبه اختلاف زمان انتقال سیگنال بین دو دستگاه. بنابراین، در یک منطقه کوچک، UWB می‌تواند نتایج موقعیت‌یابی دقیق‌تری نسبت به Wi-Fi و Bluetooth ارائه دهد. اپل همچنین در صفحه معرفی محصول انگلیسی خود، آن را "سیستم GPS برای استفاده در اتاق نشیمن" می‌نامد.

سیستم موقعیت‌یابی داخلی UWB معمولاً از سه جزء تشکیل شده است: اول، برچسب موقعیت‌یابی UWB. برچسب‌های موقعیت‌یابی، برچسب‌های فعالی هستند که می‌توانند به اشکال مختلف ساخته شوند و روی اشیاء، وسایل نقلیه یا افراد نصب شوند. آن‌ها در محیط‌های کاربردی مختلف، چندمنظوره هستند. دقت موقعیت‌یابی آن می‌تواند تا 5 تا 10 سانتی‌متر برسد. سیگنال پالس UWB ساطع شده توسط برچسب، از طریق ایستگاه پایه موقعیت‌یابی (سنسور موقعیت‌یابی) دریافت و ارسال می‌شود. هر برچسب دارای یک شماره شناسایی منحصر به فرد است و اشیاء موقعیت‌یابی شده را می‌توان از طریق این شماره شناسایی به هم متصل کرد، به طوری که ایستگاه پایه موقعیت‌یابی (سنسور موقعیت‌یابی) می‌تواند موقعیت واقعی را از طریق برچسب پیدا کند. مدت زمان ارسال سیگنال برچسب بسیار کوتاه است و امکان قرارگیری همزمان صدها یا حتی هزاران برچسب را فراهم می‌کند. مورد دوم، ایستگاه پایه موقعیت‌یابی UWB است. ایستگاه پایه موقعیت‌یابی (سنسور موقعیت‌یابی) می‌تواند موقعیت برچسب را از طریق فناوری اندازه‌گیری اختلاف زمان ورود (TDOA) تعیین کند و داده‌ها را به کنترل‌کننده شبکه و نرم‌افزار موتور موقعیت‌یابی منتقل کند. دقت اندازه‌گیری موقعیت‌یابی به سطح سانتی‌متر می‌رسد. مورد سوم، نرم‌افزار کاربردی است. نرم‌افزار کاربردی عمدتاً در عملکردهای سیستم منعکس می‌شود. کارکردهای اساسی سیستم موقعیت‌یابی داخلی UWB می‌تواند شامل موارد زیر باشد: توزیع پرسنل، نمایش توزیع افرادی که برچسب‌های موقعیت‌یابی دارند؛ مسیرهای حرکت پرسنل، نمایش بلادرنگ یک یا چند مسیر حرکت پرسنل از طریق یک نقشه الکترونیکی؛ ردیابی پرسنل تعیین‌شده، نقشه به‌طور خودکار با حرکت برچسب تغییر می‌کند و وضعیت فعلی برچسب را می‌توان با حرکت ماوس روی برچسب مشاهده کرد؛ حصار الکترونیکی، نمایش وضعیت موقعیت مکانی فرد در حالت هشدار از طریق رنگ‌ها و اشکال مختلف روی نقشه الکترونیکی مسطح.

فرآیند موقعیت‌یابی داخلی UWB: اول، هر برچسب موقعیت‌یابی فریم‌های داده را به طور مکرر و بدون وقفه با پالس‌های UWB ارسال می‌کند؛ دوم، قطار پالس UWB ارسال شده توسط برچسب موقعیت‌یابی توسط ایستگاه پایه موقعیت‌یابی دریافت می‌شود؛ سوم، هر ایستگاه پایه موقعیت‌یابی از یک آشکارساز پالس کوتاه با حساسیت بالا برای اندازه‌گیری زمان رسیدن فریم داده هر برچسب موقعیت‌یابی به آنتن گیرنده استفاده می‌کند؛ چهارم، موتور موقعیت‌یابی به داده‌های کالیبراسیون ارسال شده توسط برچسب اشاره می‌کند، اختلاف زمانی بین رسیدن برچسب به ایستگاه‌های پایه موقعیت‌یابی مختلف را تعیین می‌کند و از فناوری موقعیت‌یابی سه نقطه‌ای و الگوریتم‌های بهینه‌سازی برای محاسبه موقعیت برچسب استفاده می‌کند؛ پنجم، استفاده از موقعیت‌یابی تک ایستگاه پایه عموماً از الگوریتم AOA ((زاویه ورود)) استفاده می‌کند. هنگام استفاده از موقعیت‌یابی چند ایستگاه پایه، اغلب از الگوریتم TDOA (اختلاف زمان ورود) استفاده می‌شود.

حوزه‌های اصلی کاربرد موقعیت‌یابی داخلی UWB عبارتند از: اول، تونل‌ها/راهروهای لوله/متروها. ردیابی خودکار و بلادرنگ کارگران ساختمانی و پیگیری موقعیت مکانی و مسیر فعالیت هر کارمند در تونل و همچنین توزیع مکانی همه پرسنل تونل. هنگام مواجهه با شرایط اضطراری، می‌توان به سرعت اطلاعات مکانی قابل اعتماد افراد گرفتار را برای بهبود کارایی عملیات نجات و نجات ایمنی پیدا کرد. دوم، انبارداری وسایل نقلیه است. ردیابی دارایی‌ها و موجودی در زمان واقعی، بهبود فرآیندها، افزایش کارایی جستجو و کاهش اتلاف منابع. سوم، صنعت پتروشیمی است. مکان‌های بلادرنگ افراد، وسایل نقلیه و اشیاء را با دقت و بدون تأخیر تعیین کنید، به طور شهودی و به موقع شرایط محل و وضعیت پرسنل صنایع شیمیایی را منعکس کنید و ایمنی و کارایی صنعت پتروشیمی را بهبود بخشید. چهارم، بیمارستان‌ها/خانه‌های سالمندان. مدیریت و کنترل هوشمند 24 ساعته، نگهبانی امنیتی در تمام شرایط آب و هوایی، تجزیه و تحلیل بلادرنگ رفتار مراقبان، بازدیدکنندگان، بیماران/سالمندان، بهبود کارایی مدیریت تصفیه‌شده بیمارستان‌ها/خانه‌های سالمندان؛ پنجم، زندان‌ها/امنیت عمومی/قضایی است. سیستم موقعیت‌یابی داخلی UWB می‌تواند مدیریت ورود و خروج پرسنل، جستجوی موقعیت مکانی در لحظه، نظارت بر منطقه محدود، کنترل فاصله ایزوله، برنامه‌ریزی پرسنل را انجام دهد و می‌تواند آمار مربوط به موقعیت مکانی، مسیر سفر، فاصله و سرعت پرسنل را نظارت و جمع‌آوری کند. در واقع، برنامه‌ها و خدمات موقعیت‌یابی دقیق UWB فراتر از جنبه‌های فوق هستند. به دلیل موقعیت‌یابی و ردیابی دقیق همه افراد، حیوانات، دارایی‌ها، اشیاء و فرآیندهای رویداد، چشم‌انداز توسعه بسیار خوبی در اینترنت صنعتی، کالاهای مصرفی انبوه و صنایع اینترنت اشیا داده دارد. UWB اساساً می‌تواند به یک حسگر مکانی-زمانی و یک شریک ضروری برای اینترنت اشیا و کلان‌داده تبدیل شود. این سیستم در زمینه‌های مختلف موقعیت‌یابی داخلی با دقت بالا، موقعیت‌یابی یکپارچه داخلی و خارجی و نوآوری در یکپارچه‌سازی ناوبری و ارتباطات، مانند یک ستاره در حال ظهور است.