Pourquoi l'ultra-large bande pourrait-elle devenir la future star du positionnement en intérieur ?

L'ultra-large bande (UWB), une technologie proposée dans les années 1960, a regagné en popularité ces dernières années. Initialement conçue pour les applications de communication, l'UWB est désormais également utilisée pour le positionnement de haute précision, notamment en intérieur (positionnement sans exposition). Elle intègre les fonctions de positionnement et de communication, ce qui la rend particulièrement attrayante et moderne. En septembre 2019, lors de la conférence Apple présentant l'iPhone 11, Apple a annoncé l'intégration de la puce U1. L'UWB a ainsi fait une entrée discrète sur le marché grand public. Pourquoi discrètement ? Apple n'a fait aucune déclaration concernant cette puce mystérieuse lors de sa conférence. Il pourrait toutefois s'agir d'un événement marquant pour le positionnement en intérieur. On estime que l'UWB déploiera tout son potentiel au cours des cinq à dix prochaines années.

Qu'est-ce que le positionnement ultra-large bande (UWB) ? Voici une brève introduction. L'UWB est une technologie de communication sans porteuse qui utilise des impulsions étroites non sinusoïdales de l'ordre de la nanoseconde pour transmettre des données, occupant ainsi une large bande spectrale. Le positionnement UWB utilise une technologie de communication par impulsions à large bande, ce qui lui confère une forte capacité anti-interférences et réduit les erreurs de positionnement. L'émergence de la technologie de positionnement intérieur UWB a comblé le manque de positionnement de haute précision. Elle présente l'avantage d'être insensible à l'affaiblissement du canal, d'avoir une faible densité spectrale de puissance des signaux transmis, une faible capacité d'interception, une faible complexité du système et peut fournir une précision de positionnement de 0.1 mètre.

Contrairement aux communications sans fil traditionnelles, l'UWB n'utilise pas d'ondes porteuses, mais transmet des données en envoyant et en recevant des signaux pulsés de faible énergie. La méthode de localisation repose sur la mesure du temps de transmission du signal, ce qui permet de déterminer la distance en calculant la différence de temps de transmission entre deux appareils. Ainsi, dans un espace restreint, l'UWB offre une localisation plus précise que le Wi-Fi et le Bluetooth. Apple la qualifie d'ailleurs de « système GPS pour le salon » sur sa page de présentation produit en anglais.

Un système de positionnement intérieur UWB se compose généralement de trois éléments : premièrement, l’étiquette de positionnement UWB. Ces étiquettes actives peuvent prendre différentes formes et être fixées sur des objets, des véhicules ou portées par des personnes. Elles sont polyvalentes et s’adaptent à divers environnements d’application. Leur précision de positionnement atteint 5 à 10 cm. Le signal d’impulsion UWB émis par l’étiquette est reçu et transmis par la station de base (capteur de positionnement). Chaque étiquette possède un identifiant unique, permettant d’associer les objets positionnés et ainsi à la station de base (capteur) de déterminer leur position. La durée de transmission du signal étant très courte, des centaines, voire des milliers d’étiquettes peuvent être positionnées simultanément. Deuxièmement, la station de base UWB. Celle-ci détermine la position de l’étiquette grâce à la technologie de mesure de la différence de temps d’arrivée (TDOA) et transmet les données au contrôleur réseau et au logiciel de positionnement. La précision de mesure est centimétrique. Troisièmement, le logiciel d’application assure les fonctionnalités du système. Les fonctions de base du système de positionnement intérieur UWB peuvent inclure : la distribution du personnel, affichant la répartition des personnes portant des étiquettes de positionnement ; les trajectoires de déplacement du personnel, affichage en temps réel d’une ou plusieurs trajectoires de déplacement du personnel sur une carte électronique ; le suivi du personnel désigné, la carte change automatiquement en fonction du mouvement de l’étiquette, et l’état actuel de l’étiquette peut être visualisé en déplaçant la souris dessus ; la clôture électronique, indiquant l’état de localisation de la personne par différentes couleurs et formes sur la carte électronique plane.

Processus de positionnement intérieur UWB : Premièrement, chaque étiquette de positionnement émet des trames de données de manière répétée et continue sous forme d’impulsions UWB. Deuxièmement, le train d’impulsions UWB émis par l’étiquette est reçu par la station de base de positionnement. Troisièmement, chaque station de base utilise un détecteur d’impulsions courtes haute sensibilité pour mesurer l’instant d’arrivée de chaque trame de données au niveau de l’antenne réceptrice. Quatrièmement, le système de positionnement, à partir des données d’étalonnage envoyées par l’étiquette, détermine la différence de temps entre les passages de l’étiquette à travers les différentes stations de base et utilise une technique de positionnement à trois points et des algorithmes d’optimisation pour calculer la position de l’étiquette. Cinquièmement, le positionnement avec une seule station de base utilise généralement l’algorithme AOA (Angle d’arrivée). En cas de positionnement avec plusieurs stations de base, l’algorithme TDOA (Différence de temps d’arrivée) est souvent utilisé.

Les principaux domaines d'application du positionnement intérieur UWB sont les suivants : premièrement, les tunnels, les canalisations et les métros. Il permet le suivi automatique en temps réel des ouvriers du bâtiment, ainsi que la surveillance de la position et des déplacements de chaque employé dans le tunnel, et la répartition géographique de l'ensemble du personnel. En cas d'urgence, la localisation rapide et fiable des personnes piégées améliore l'efficacité des opérations de sauvetage et garantit leur sécurité. Deuxièmement, la gestion des stocks de véhicules. Le suivi en temps réel des actifs et des stocks permet d'optimiser les processus, d'accroître l'efficacité des recherches et de réduire le gaspillage des ressources. Troisièmement, l'industrie pétrochimique. La localisation précise et instantanée des personnes, des véhicules et des objets permet de refléter de manière intuitive et opportune les conditions sur site et le statut du personnel, améliorant ainsi la sécurité et l'efficacité de l'industrie pétrochimique. Quatrièmement, les hôpitaux et les maisons de retraite. La gestion et le contrôle intelligents 24 h/24, la surveillance permanente et l'analyse en temps réel du comportement des soignants, des visiteurs et des patients/personnes âgées permettent une gestion plus efficace et optimisée des établissements. Le cinquième domaine concerne les prisons, la sécurité publique et le système judiciaire. Le système de positionnement intérieur UWB permet de gérer les entrées et sorties du personnel, d'effectuer des requêtes de localisation en temps réel, de superviser les zones restreintes, de contrôler les distances d'isolement et de planifier les horaires du personnel. Il peut également surveiller et collecter des statistiques sur la localisation, l'itinéraire, la distance et la vitesse de déplacement du personnel. En réalité, les applications et services de positionnement précis UWB vont bien au-delà de ces aspects. Grâce à sa capacité à positionner et suivre avec précision les personnes, les animaux, les biens, les objets et les événements, l'UWB offre de grandes perspectives de développement dans l'Internet industriel, les biens de consommation courante et l'Internet des objets (IoT). L'UWB peut devenir un capteur spatio-temporel essentiel et un partenaire indispensable pour l'IoT et le Big Data. Elle s'impose comme une technologie montante dans de nombreux domaines, notamment le positionnement intérieur de haute précision, le positionnement intégré intérieur/extérieur et l'innovation en matière d'intégration de la navigation et de la communication.