Исследование уникальных преимуществ технологии UWB: достижение высокоточного позиционирования

Технология позиционирования UWB — это метод точного отслеживания местоположения с использованием беспроводных сигналов. Он определяет точное положение объекта путем измерения таких параметров, как время прибытия, разность фаз и энергия сверхширокополосных радиосигналов.

Технология позиционирования UWB предлагает несколько преимуществ. Во-первых, он обеспечивает высокую точность позиционирования, позволяя осуществлять точную локализацию на уровне миллиметра. Во-вторых, UWB обладает сильными возможностями защиты от помех, что позволяет ему поддерживать хорошие характеристики позиционирования даже в средах с многолучевым распространением и помехами. Кроме того, технология UWB обладает хорошей проникающей способностью, что позволяет ей обнаруживать объекты через определенные препятствия.  

Система позиционирования СШП состоит из базовых станций СШП и меток СШП.

 В системе позиционирования UWB одна метка взаимодействует с тремя базовыми станциями для выполнения триангуляции. С этими тремя базовыми станциями одновременно могут обмениваться данными до 30 меток, что обеспечивает высокоточное позиционирование и отслеживание нескольких целей.

Использование метода трехточечного плоского позиционирования для точного расчета местоположения : в системах позиционирования UWB и AoA используется метод трехточечного плоского позиционирования. Благодаря тому, что три известные базовые станции принимают сигналы от неизвестной метки, система может точно измерить время прибытия сигнала, тем самым достигая высокоточного позиционирования. 

Система позиционирования СШП может в зоне покрытия базовых станций СШП работать совместно с метками СШП и использовать алгоритм TDOA вместе с устройствами отображения терминала для выполнения сложных задач, таких как позиционирование персонала, мониторинг и отслеживание. Эта система позволяет в режиме реального времени определять местоположение и контролировать людей и объекты, достигая точности позиционирования от 10 до 30 сантиметров.

Для позиционирования Bluetooth AoA (угол прибытия) и AoD (угол отклонения) используется одна и та же базовая технология. При использовании метода угла отклонения (AoD) передающее устройство содержит многоантенную решетку, которая отправляет специальный пеленгаторный сигнал. Затем другое устройство использует этот сигнал для расчета направления, из которого получен сигнал.

Система позиционирования UWB обычно делится на три уровня: уровень восприятия позиционирования, уровень сетевой передачи и уровень приложения позиционирования. В основном он включает в себя следующие компоненты: сервер механизма позиционирования, интеллектуальный терминал, коммутатор, базовую станцию ​​СШП, тег СШП, модуль СШП и программные интерфейсы.

Принцип работы UWB-позиционирования

Каждый тег позиционирования непрерывно передает кадры данных с использованием импульсов СШП.

Пакеты импульсов UWB, отправленные меткой позиционирования, принимаются базовыми станциями позиционирования.

 Каждая базовая станция позиционирования использует высокочувствительный детектор коротких импульсов для измерения времени, в течение которого каждый кадр данных от метки позиционирования поступает на антенну приемника.

Механизм позиционирования использует данные калибровки, отправленные меткой, для определения разницы во времени прибытия между различными базовыми станциями позиционирования. Затем он вычисляет положение тега, используя алгоритмы трилатерации и оптимизации.

Для позиционирования нескольких базовых станций обычно используются алгоритмы TDOA (разница во времени прибытия) и TOA (время прибытия).

 Архитектура системы позиционирования AoA разделена на четыре уровня: уровень объекта, уровень сбора, уровень обработки и уровень представления.

 Слой объектов:  сюда входят позиционируемые устройства или объекты, которые взаимодействуют с системой путем отправки сигналов.

 Уровень сбора:  состоит из приемных устройств (таких как базовые станции), он отвечает за прием сигналов от объектного уровня и измерение угла прибытия (AoA) сигналов.

 Уровень обработки:  этот уровень включает в себя сервер механизма позиционирования, сервер данных и бизнес-сервер. Серверы отвечают за вычисление местоположения, анализ данных, проверку данных и другие задачи.

 Уровень представления:  этот уровень обрабатывает инициализацию данных о позиционировании системы, управление бизнес-процессами, управление пользователями, запросы данных и многое другое, и все это управляется через веб-браузер.

 В чем разница между технологией позиционирования UWB и Bluetooth AoA?

UWB и Bluetooth — это технологии и стандарты связи, каждый из которых имеет свой собственный стандартный протокол и работает в разных диапазонах частот. UWB соответствует стандарту IEEE 802.15.4-2020, а Bluetooth развился до стандарта 5.2.

AoA, AoD, ToF и TDoA — это методы позиционирования. AoA можно использовать как с Bluetooth, так и с UWB, но Bluetooth в настоящее время не поддерживает приложения ToF или TDoA. Это определяется базовой аппаратной технологией.

Метод AoA.  Проще говоря, этот метод рассчитывает расстояние между меткой и базовой станцией путем измерения угла между ними. Поэтому ключевым фактором является точность измерения угла.

Методы ToF и TDoA.  Проще говоря, эти методы измеряют время, а именно время прохождения сигнала между меткой и базовой станцией. Поскольку скорость полета беспроводных сигналов примерно равна скорости света , требуемая точность измерений очень высока.

Этапы реализации технологии UWB позиционирования:

Получить расстояние между узлами:  Измерьте расстояния между различными узлами.

Вычислить начальные координаты:  используйте алгоритм позиционирования для определения начальных координат.

Фильтрация начальных координат.  Примените фильтрацию к начальным координатам для достижения точного позиционирования.

Характеристики технологии СШП в практическом применении:

Высокоскоростная передача данных:  сигналы СШП имеют очень большую полосу пропускания, что приводит к высокой пропускной способности канала для передачи данных. Сигналы UWB могут передавать данные со скоростью около 500 Мбит/с. Эта характеристика позволяет СШП играть решающую роль в модуляции сигнала.

Низкое энергопотребление:  СШП передает данные с помощью прерывистых импульсов чрезвычайно короткой длительности, что означает, что его энергопотребление очень низкое, обычно достигающее максимум нескольких десятков миллиампер.

Высокая безопасность:  из-за чрезвычайно широкой полосы частот сигналов СШП их энергия сильно распределяется по спектру. Это затрудняет обнаружение и перехват сигналов, повышая безопасность и секретность связи.

Сильная защита от многолучевого распространения:  в отличие от обычных сигналов беспроводной связи, которые непрерывны во временной области и, следовательно, подвержены ограничениям качества и скорости передачи данных из-за эффектов многолучевого распространения, сигналы СШП состоят из узких импульсов очень короткой длительности. В результате в условиях многолучевого распространения импульсы не перекрываются, что обеспечивает СШП высокую устойчивость к многолучевым помехам.

Высокая точность позиционирования :  позиционирование UWB может достигать точности синхронизации на уровне наносекунд, что в сочетании с различными алгоритмами измерения расстояния позволяет оценивать положение с точностью до сантиметра. Кроме того, СШП имеет минимальное взаимодействие с другими устройствами.