超広帯域無線技術が屋内測位の未来を担う可能性を秘めている理由とは？

1960年代に提唱された超広帯域無線（UWB）技術は、近年再び注目を集めている。UWBは当初、通信応用技術の方向で開発されたが、現在では高精度測位技術、特に屋内測位、すなわち非露出空間測位技術にも応用されている。測位機能と通信機能を一体化することで、非常にスタイリッシュで魅力的に映る。特に2019年9月、AppleのiPhone 11発表会では、U1チップを搭載することが発表され、UWBはひっそりと消費者市場に参入した。なぜひっそりと？それは、Appleが記者会見でこの謎のチップについて一切説明しなかったからだ。しかし、これは屋内測位にとって画期的な出来事となるかもしれない。UWBは今後5年から10年でその真価を発揮すると予測されている。

超広帯域測位とは何でしょうか？ここでは簡単に説明します。UWB（超広帯域）は超広帯域技術です。ナノ秒レベルの非正弦波狭パルスを使用してデータを送信するキャリアレス通信技術であり、広いスペクトル範囲を占有します。UWB測位は広帯域パルス通信技術を使用しており、強力な耐干渉性を持ち、測位誤差を低減します。UWB屋内測位技術の登場は、高精度測位分野のギャップを埋めました。チャネルフェージングの影響を受けにくく、送信信号の電力スペクトル密度が低く、傍受能力が低く、システムの複雑さが低く、0.1メートルの測位精度を提供できるという利点があります。

従来の無線通信とは異なり、UWBは搬送波を使用せず、低エネルギーのパルス信号を送受信することでデータを伝送します。測距方法は信号の伝送時間を測定することで実現され、2つのデバイス間の信号の伝送時間差を計算することで距離を決定します。そのため、狭いエリアでは、UWBはWi-FiやBluetoothよりも正確な測位結果を提供できます。Appleも英語の製品紹介ページで、UWBを「リビングルームで使えるGPSシステム」と呼んでいます。

UWB屋内測位システムは通常、3つのコンポーネントで構成されます。1つ目はUWB測位タグです。測位タグは、さまざまな形状にでき、物体、車両に固定したり、人に装着したりできるアクティブタグです。さまざまなアプリケーション環境で汎用性があります。測位精度は最大5～10cmに達します。タグから発信されるUWBパルス信号は、測位基地局（測位センサー）で受信および送信されます。各タグには固有のID番号があり、測位対象はこのID番号を介してリンクできるため、測位基地局（測位センサー）はタグを介して実際の位置を検出できます。タグの送信信号の持続時間は非常に短いため、数百または数千のタグを同時に測位できます。2つ目はUWB測位基地局です。測位基地局（測位センサー）は、到着時間差（TDOA）測定技術によってタグの位置を特定し、データをネットワークコントローラーと測位エンジンソフトウェアに送信します。測位測定精度はセンチメートルレベルに達します。3つ目はアプリケーションソフトウェアです。アプリケーションソフトウェアは主にシステム機能に反映されます。 UWB屋内測位システムの基本機能には、以下のようなものがあります。人員分布表示：測位タグを装着した人の分布を表示します。人員移動軌跡表示：電子地図上で1人または複数人の人員移動軌跡をリアルタイムで表示します。指定人員の追跡：地図はタグの動きに合わせて自動的に切り替わり、タグの上にマウスカーソルを移動することでタグの現在の状態を確認できます。電子フェンス表示：平面電子地図上に、異なる色や形状で人の警報位置の状態を表示します。

UWB屋内測位プロセス: まず、各測位タグはUWBパルスでデータフレームを繰り返し途切れることなく送信します。次に、測位タグから送信されたUWBパルス列が測位基地局で受信されます。3番目に、各測位基地局は高感度短パルス検出器を使用して、各測位タグのデータフレームが受信アンテナに到着する時間を測定します。4番目に、測位エンジンはタグから送信された校正データを参照し、タグが異なる測位基地局に到達する時間差を決定し、3点測位技術と最適化アルゴリズムを使用してタグの位置を計算します。5番目に、単一基地局測位では一般的にAOA（到来角）アルゴリズムを使用します。複数基地局測位では、TDOA（到着時間差）アルゴリズムがよく使用されます。

UWB屋内測位の主な適用分野は次のとおりです。1つ目は、トンネル/パイプ通路/地下鉄です。建設作業員のリアルタイム自動追跡を実行し、トンネル内の各従業員の位置と活動軌跡、およびすべてのトンネル人員の位置分布を追跡します。緊急事態に遭遇した場合、閉じ込められた人の信頼できる位置情報を迅速に見つけることができ、救助と安全救助の効率が向上します。2つ目は、車両倉庫です。資産と在庫をリアルタイムで追跡し、プロセスを改善し、検索効率を高め、資源の無駄を削減します。3つ目は、石油化学産業です。人、車両、および物体のリアルタイムの位置を遅延なく正確に特定し、化学産業の現場の状況と人員の状況を直感的かつタイムリーに反映し、石油化学産業の安全性と効率を向上させます。4つ目は、病院/介護施設です。 24時間インテリジェント管理と制御、全天候型セキュリティ監視、介護者、訪問者、患者/高齢者の行動のリアルタイム分析、病院/介護施設のきめ細かな管理の効率向上。5つ目は刑務所/公安/司法です。UWB屋内測位システムは、人員の出入り管理、リアルタイム位置照会、制限区域監視、隔離距離制御、人員スケジューリングを実行でき、人員の位置、移動経路、距離、速度に関する統計を監視および収集できます。実際、UWB高精度測位アプリケーションとサービスは、上記の側面をはるかに超えています。人、動物、資産、物体、イベントプロセスの正確な位置と追跡により、産業インターネット、大量消費財、データIoT産業で大きな発展の見込みがあります。UWBは本質的に時空間センサーとなり、モノのインターネットとビッグデータにとって不可欠なパートナーとなることができます。高精度屋内測位、屋内と屋外の統合測位、ナビゲーションと通信の統合イノベーションの複数の分野で新星のオーラを放っています。