Waarom ultrabreedband de toekomstige ster van indoor positionering zou kunnen zijn?

Ultra-wideband (UWB), een technologie die in de jaren 1960 werd geïntroduceerd, heeft de laatste jaren weer aan populariteit gewonnen. Oorspronkelijk werd UWB ontwikkeld voor communicatietoepassingen, maar tegenwoordig wordt het ook ingezet voor zeer nauwkeurige positioneringstechnologie, met name indoor positionering, oftewel positionering in een onzichtbare ruimte. Het integreert positionerings- en communicatiefuncties in één, wat het een bijzonder moderne en aantrekkelijke technologie maakt. Vooral in september 2019 kondigde Apple tijdens de iPhone 11-presentatie aan dat deze was uitgerust met een U1-chip. UWB betrad daarmee stilletjes de consumentenmarkt. Waarom stilletjes? Omdat Apple tijdens de persconferentie geen enkele introductie gaf over deze mysterieuze chip. Dit zou echter wel eens een baanbrekende gebeurtenis kunnen zijn voor indoor positionering. Naar verwachting zal UWB de komende vijf tot tien jaar zijn potentieel volledig benutten.

Wat is ultrabreedbandpositionering? Hier volgt een korte introductie. UWB (Ultra Wide Band) is een ultrabreedbandtechnologie. Het is een draaggolfloze communicatietechnologie die gebruikmaakt van smalle, niet-sinusoïdale pulsen op nanosecondeniveau om data te verzenden, waardoor een breed spectrum wordt bestreken. UWB-positionering maakt gebruik van breedbandpulscommunicatietechnologie, die een sterke storingsbestendigheid heeft en positioneringsfouten reduceert. De opkomst van UWB-positioneringstechnologie voor binnenruimtes heeft een leemte opgevuld in het veld van zeer nauwkeurige positionering. De voordelen zijn onder andere ongevoeligheid voor kanaalvervaging, een lage spectrale vermogensdichtheid van de verzonden signalen, een lage kans op interceptie, een lage systeemcomplexiteit en een positioneringsnauwkeurigheid van 0.1 meter.

In tegenstelling tot traditionele draadloze communicatie maakt UWB geen gebruik van draaggolven, maar verzendt het gegevens door middel van het versturen en ontvangen van energiezuinige pulssignalen. De afstandsmeting wordt uitgevoerd door de transmissietijd van het signaal te meten, oftewel door het tijdsverschil tussen de signalen van twee apparaten te berekenen. Hierdoor kan UWB in een kleine ruimte nauwkeurigere positioneringsresultaten leveren dan Wi-Fi en Bluetooth. Apple noemt het op de Engelstalige productpagina ook wel een "gps-systeem voor gebruik in de woonkamer".

Een UWB-positioneringssysteem voor binnen bestaat doorgaans uit drie componenten: Ten eerste, de UWB-positioneringstag. Positioneringstags zijn actieve tags die in verschillende vormen kunnen worden gemaakt en op objecten, voertuigen of door mensen kunnen worden gedragen. Ze zijn veelzijdig inzetbaar in diverse omgevingen. De positioneringsnauwkeurigheid kan oplopen tot 5-10 cm. Het UWB-pulssignaal dat door de tag wordt uitgezonden, wordt ontvangen en verzonden via het positioneringsbasisstation (positioneringssensor). Elke tag heeft een uniek ID-nummer, waarmee de gepositioneerde objecten aan elkaar kunnen worden gekoppeld. Het positioneringsbasisstation (positioneringssensor) kan zo de werkelijke positie van de tag bepalen. De duur van het zendsignaal van de tag is zeer kort, waardoor honderden of zelfs duizenden tags tegelijkertijd kunnen worden gepositioneerd. Ten tweede, het UWB-positioneringsbasisstation. Het positioneringsbasisstation (positioneringssensor) bepaalt de locatie van de tag met behulp van de TDOA-meetmethode (Time Difference of Arrival) en verzendt de gegevens naar de netwerkcontroller en de positioneringssoftware. De positioneringsnauwkeurigheid kan op centimeterniveau worden gemeten. Ten derde, de applicatiesoftware. De applicatiesoftware is voornamelijk verantwoordelijk voor de systeemfuncties. De basisfuncties van het UWB-binnenpositioneringssysteem kunnen onder meer zijn: personeelsverdeling, waarbij de verdeling van personen met positioneringstags wordt weergegeven; bewegingstrajecten van personen, waarbij de bewegingstrajecten van één of meerdere personen in realtime worden weergegeven op een elektronische kaart; het volgen van aangewezen personen, waarbij de kaart automatisch meeschakelt met de beweging van de tag en de huidige status van de tag kan worden bekeken door de muis over de tag te bewegen; en een elektronische omheining, waarbij de alarmstatus van een persoon wordt weergegeven door middel van verschillende kleuren en vormen op de platte elektronische kaart.

UWB-binnenpositioneringsproces: Ten eerste verzendt elke positioneringstag herhaaldelijk en ononderbroken dataframes met UWB-pulsen; ten tweede wordt de door de positioneringstag verzonden UWB-pulstrein ontvangen door het positioneringsbasisstation; ten derde gebruikt elk positioneringsbasisstation een zeer gevoelige korte-pulsdetector om de aankomsttijd van het dataframe van elke positioneringstag bij de ontvangstantenne te meten; ten vierde gebruikt de positioneringsengine de door de tag verzonden kalibratiegegevens om het tijdsverschil tussen de aankomst van de tag bij verschillende positioneringsbasisstations te bepalen en gebruikt driepuntspositioneringstechnologie en optimalisatiealgoritmen om de positie van de tag te berekenen; ten vijfde wordt bij positionering met één basisstation doorgaans het AOA-algoritme (Angle of Arrival) gebruikt. Bij positionering met meerdere basisstations wordt vaak het TDOA-algoritme (Time Difference of Arrival) gebruikt.

De belangrijkste toepassingsgebieden van UWB-positionering binnenshuis zijn: Ten eerste, tunnels/leidinggangen/metro's. Realtime automatische tracking van bouwvakkers, waarbij de locatie en het activiteitentraject van elke medewerker in de tunnel worden bijgehouden, evenals de locatieverdeling van al het tunnelpersoneel. In geval van nood kan snel betrouwbare locatie-informatie van ingesloten personen worden gevonden, wat de efficiëntie en veiligheid van reddingsoperaties verbetert; ten tweede, voertuigopslag. Realtime tracking van activa en inventaris, verbetering van processen, verhoging van de zoekefficiëntie en vermindering van verspilling van middelen; ten derde, de petrochemische industrie. Nauwkeurige realtime lokalisatie van personen, voertuigen en objecten zonder vertraging, intuïtieve en tijdige weergave van de omstandigheden en personeelsstatus ter plaatse in de chemische industrie, en verbetering van de veiligheid en efficiëntie in de petrochemische industrie; ten vierde, ziekenhuizen/verpleeghuizen. 24-uurs intelligent beheer en controle, bewaking onder alle weersomstandigheden, realtime analyse van het gedrag van zorgverleners, bezoekers, patiënten/ouderen, waardoor het beheer van ziekenhuizen/verpleeghuizen efficiënter wordt; De vijfde categorie betreft gevangenissen/openbare veiligheid/justitie. Het UWB-binnenpositioneringssysteem kan het in- en uitgaan van personeel beheren, realtime locatiegegevens opvragen, beveiligde zones bewaken, isolatieafstanden controleren, personeelsplanning verzorgen en statistieken verzamelen over de locatie, reisroute, afstand en snelheid van personeel. De toepassingen en diensten van UWB-precisiepositionering gaan echter veel verder dan de bovengenoemde aspecten. Dankzij de precieze positionering en tracking van alle personen, dieren, bezittingen, objecten en gebeurtenissen heeft het grote ontwikkelingsperspectieven in de industriële internet-, consumentengoederen- en data-IoT-industrieën. UWB kan in wezen een spatio-temporele sensor en een onmisbare partner worden voor het Internet of Things en big data. Het heeft de potentie om een ​​rijzende ster te worden op meerdere gebieden, zoals zeer nauwkeurige binnenpositionering, geïntegreerde binnen- en buitenpositionering en innovatie op het gebied van navigatie- en communicatie-integratie.