Почему сверхширокополосная связь может стать будущей звездой в области позиционирования внутри помещений?

Технология сверхширокополосной связи (UWB), предложенная в 1960-х годах, в последние годы вновь завоевала популярность. Изначально UWB разрабатывалась для применения в коммуникационных технологиях, но теперь она также используется в высокоточных технологиях позиционирования, особенно в помещениях, то есть в бесконтактном позиционировании. Она объединяет функции позиционирования и связи в одном устройстве, что делает её особенно стильной, привлекательной и интересной. В частности, в сентябре 2019 года на конференции Apple, посвященной iPhone 11, было объявлено об оснащении устройства чипом U1. UWB незаметно вышла на потребительский рынок. Почему незаметно? Потому что Apple не представила этот загадочный чип на пресс-конференции. Однако это может стать эпохальным событием для позиционирования внутри помещений. Предполагается, что UWB продемонстрирует свои возможности в ближайшие пять-десять лет.

Что такое сверхширокополосное позиционирование? Вот краткое введение. UWB (Ultra Wide Band) — это сверхширокополосная технология. Это технология связи без несущей, использующая для передачи данных несинусоидальные узкие импульсы наносекундного уровня, поэтому она занимает широкий спектральный диапазон. Позиционирование UWB использует технологию широкополосной импульсной связи, которая обладает высокой помехоустойчивостью и снижает ошибки позиционирования. Появление технологии позиционирования UWB внутри помещений заполнило пробел в области высокоточного позиционирования. Она обладает преимуществами нечувствительности к замиранию канала, низкой спектральной плотностью мощности передаваемых сигналов, низкой вероятностью перехвата, низкой сложностью системы и может обеспечивать точность позиционирования 0.1 метра.

В отличие от традиционных беспроводных коммуникаций, UWB не использует несущие волны, а передает данные путем отправки и приема импульсных сигналов низкой энергии. Метод определения расстояния реализуется путем измерения времени передачи сигнала, то есть расстояние определяется путем вычисления разницы во времени передачи сигнала между двумя устройствами. Поэтому на небольшой территории UWB может обеспечить более точные результаты позиционирования, чем Wi-Fi и Bluetooth. На своей англоязычной странице с описанием продукта Apple также называет его «GPS-системой для использования в гостиной».

Система позиционирования внутри помещений на основе сверхширокополосной технологии (UWB) обычно состоит из трех компонентов: Во-первых, это UWB-метка позиционирования. Метки позиционирования — это активные метки, которые могут иметь различную форму и крепиться к объектам, транспортным средствам или носиться на людях. Они универсальны и подходят для различных условий применения. Точность позиционирования может достигать 5-10 см. Импульсный сигнал UWB, излучаемый меткой, принимается и передается через базовую станцию ​​позиционирования (датчик позиционирования). Каждая метка имеет уникальный идентификационный номер, и позиционируемые объекты могут быть связаны с помощью этого идентификационного номера, так что базовая станция позиционирования (датчик позиционирования) может определить фактическое положение метки. Длительность передаваемого сигнала метки очень мала, что позволяет одновременно позиционировать сотни или даже тысячи меток; Во-вторых, это UWB-базовая станция позиционирования. Базовая станция позиционирования (датчик позиционирования) может определять местоположение метки с помощью технологии измерения разницы времени прихода сигнала (TDOA) и передавать данные сетевому контроллеру и программному обеспечению системы позиционирования. Точность измерения позиционирования достигает сантиметрового уровня; В-третьих, это прикладное программное обеспечение. В основе системных функций лежит прикладное программное обеспечение. Основные функции системы позиционирования внутри помещений на основе сверхширокополосной связи (UWB) могут включать: распределение персонала, отображение распределения людей с позиционными метками; траектории движения персонала, отображение в реальном времени траекторий движения одного или нескольких человек на электронной карте; отслеживание назначенного персонала, автоматическое переключение карты в зависимости от движения метки, а текущее состояние метки можно увидеть, наведя на нее курсор мыши; электронное ограждение, отображение статуса тревоги местоположения человека с помощью различных цветов и фигур на плоской электронной карте.

Процесс позиционирования внутри помещений с использованием UWB-технологии: Во-первых, каждый метка позиционирования многократно и непрерывно отправляет кадры данных с UWB-импульсами; во-вторых, последовательность UWB-импульсов, отправленных меткой позиционирования, принимается базовой станцией позиционирования; в-третьих, каждая базовая станция позиционирования использует высокочувствительный детектор коротких импульсов для измерения времени прихода кадра данных от каждой метки позиционирования и приемной антенны; в-четвертых, система позиционирования, используя калибровочные данные, отправленные меткой, определяет разницу во времени между достижением меткой разных базовых станций позиционирования и использует трехточечную технологию позиционирования и алгоритмы оптимизации для расчета положения метки; в-пятых, при использовании позиционирования с одной базовой станцией обычно используется алгоритм AOA (угол прихода). При использовании позиционирования с несколькими базовыми станциями часто используется алгоритм TDOA (разница во времени прихода).

Основные области применения UWB-позиционирования внутри помещений: Во-первых, туннели/трубопроводы/метро. Осуществление автоматического отслеживания строительных рабочих в режиме реального времени, контроль местоположения и траектории движения каждого сотрудника в туннеле, а также распределение местоположения всего персонала туннеля. В случае чрезвычайной ситуации можно быстро получить достоверную информацию о местоположении заблокированных людей, что повышает эффективность спасательных работ и безопасность; Во-вторых, складское хранение транспортных средств. Отслеживание активов и запасов в режиме реального времени, улучшение процессов, повышение эффективности поиска и сокращение потерь ресурсов; В-третьих, нефтехимическая промышленность. Точное определение местоположения людей, транспортных средств и объектов в режиме реального времени без задержек, интуитивное и своевременное отображение условий на месте и состояния персонала в химической промышленности, повышение безопасности и эффективности нефтехимической промышленности; В-четвертых, больницы/дома престарелых. Круглосуточное интеллектуальное управление и контроль, круглосуточная охрана, анализ поведения персонала, посетителей, пациентов/пожилых людей в режиме реального времени, повышение эффективности управления больницами/домами престарелых; пятое направление – тюрьмы/общественная безопасность/судебные органы. Система позиционирования UWB внутри помещений может осуществлять управление входом и выходом персонала, запрос местоположения в режиме реального времени, контроль за зонами ограниченного доступа, контроль дистанции изоляции, планирование работы персонала, а также мониторинг и сбор статистики о местоположении, маршруте передвижения, расстоянии и скорости персонала. Фактически, приложения и услуги точного позиционирования UWB выходят далеко за рамки вышеперечисленных аспектов. Благодаря точному позиционированию и отслеживанию всех людей, животных, активов, объектов и событийных процессов, она имеет большие перспективы развития в промышленном интернете, производстве товаров массового потребления и индустрии Интернета вещей. UWB может стать, по сути, пространственно-временным датчиком и незаменимым партнером для Интернета вещей и больших данных. Она обладает аурой восходящей звезды в различных областях высокоточной внутренней навигации, интегрированной навигации и наружной навигации, а также инновационных решений в области интеграции навигации и связи.