Entdecken Sie die einzigartigen Vorteile der UWB-Technologie: Erzielen einer hochpräzisen Positionierung

Die UWB-Ortungstechnologie ist eine Methode zur präzisen Standortverfolgung mithilfe drahtloser Signale. Es bestimmt die genaue Position eines Objekts, indem es Parameter wie Ankunftszeit, Phasendifferenz und Signalenergie von Ultrabreitband-Funksignalen misst.

Die UWB-Positionierungstechnologie bietet mehrere Vorteile. Erstens bietet es eine hohe Positionierungsgenauigkeit und ermöglicht eine präzise Lokalisierung auf Millimeterebene. Zweitens verfügt UWB über starke Anti-Interferenz-Fähigkeiten, die es ihm ermöglichen, auch in Umgebungen mit Mehrwegeausbreitung und Interferenzen eine gute Positionierungsleistung aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus verfügt die UWB-Technologie über eine gute Durchdringungsfähigkeit, sodass Objekte durch bestimmte Hindernisse hindurch lokalisiert werden können.  

Ein UWB-Positionierungssystem besteht aus UWB-Basisstationen und UWB-Tags.

 In einem UWB-Positionierungssystem interagiert ein einzelner Tag mit drei Basisstationen, um eine Triangulation durchzuführen. Bis zu 30 Tags können gleichzeitig mit diesen drei Basisstationen kommunizieren und ermöglichen so eine hochpräzise Positionierung und Verfolgung mehrerer Ziele.

Verwendung der planaren Dreipunkt-Positionierungsmethode zur präzisen Standortberechnung : In UWB- und AoA-Positionierungssystemen wird die planare Dreipunkt-Positionierungsmethode verwendet. Indem drei bekannte Basisstationen Signale von einem unbekannten Tag empfangen, kann das System die Ankunft des Zeitsignals genau messen und so eine hochpräzise Positionierung erreichen. 

Ein UWB-Positionierungssystem kann innerhalb des Abdeckungsbereichs von UWB-Basisstationen in Verbindung mit UWB-Tags arbeiten und den TDOA-Algorithmus zusammen mit Terminalanzeigegeräten nutzen, um komplexe Aufgaben wie Personalpositionierung, Überwachung und Verfolgung zu erfüllen. Dieses System ermöglicht die Ortung und Überwachung von Personen und Objekten in Echtzeit und erreicht eine Positionierungsgenauigkeit von 10 bis 30 Zentimetern.

Bluetooth AoA (Angle of Arrival) und AoD (Angle of Departure) Positionierung nutzen die gleiche zugrunde liegende Technologie. Bei der Angle of Departure (AoD)-Methode enthält das Sendegerät ein Mehrantennen-Array, das ein spezielles Peilsignal aussendet. Ein anderes Gerät berechnet dann anhand dieses Signals die Richtung, aus der das Signal empfangen wird.

Das UWB-Positionierungssystem ist im Allgemeinen in drei Schichten unterteilt: die Positionierungswahrnehmungsschicht, die Netzwerkübertragungsschicht und die Positionierungsanwendungsschicht. Es umfasst im Wesentlichen die folgenden Komponenten: Positionierungs-Engine-Server, Smart Terminal, Switch, UWB-Basisstation, UWB-Tag, UWB-Modul und Softwareschnittstellen

Funktionsprinzip der UWB-Positionierung

Jeder Positionierungs-Tag sendet kontinuierlich Datenrahmen mithilfe von UWB-Impulsen.

Die vom Positionierungs-Tag gesendeten UWB-Impulsbursts werden von den Positionierungsbasisstationen empfangen.

 Jede Positionierungsbasisstation verwendet einen hochempfindlichen Kurzimpulsdetektor, um die Zeit zu messen, zu der jeder Datenrahmen vom Positionierungs-Tag an der Antenne des Empfängers ankommt.

Die Positionierungsmaschine bezieht sich auf die vom Tag gesendeten Kalibrierungsdaten, um den Ankunftszeitunterschied zwischen verschiedenen Positionierungsbasisstationen zu bestimmen. Anschließend berechnet es die Position des Tags mithilfe von Trilaterations- und Optimierungsalgorithmen.

Bei der Positionierung mehrerer Basisstationen werden üblicherweise die Algorithmen TDOA (Time Difference of Arrival) und TOA (Time of Arrival) verwendet.

 Die Architektur des AoA-Positionierungssystems ist in vier Schichten unterteilt: die Objektschicht, die Sammlungsschicht, die Verarbeitungsschicht und die Präsentationsschicht.

 Objektschicht:  Dazu gehören die zu positionierenden Geräte oder Objekte, die durch das Senden von Signalen mit dem System interagieren.

 Sammelschicht:  Besteht aus Empfangsgeräten (z. B. Basisstationen) und ist für den Empfang von Signalen von der Objektschicht und die Messung des Ankunftswinkels (Angle of Arrival, AoA) der Signale verantwortlich.

 Verarbeitungsschicht:  Diese Schicht umfasst den Positionierungs-Engine-Server, den Datenserver und den Geschäftsserver. Die Server sind für die Standortberechnung, Datenanalyse, Datenvalidierung und andere Aufgaben verantwortlich.

 Präsentationsschicht:  Diese Schicht übernimmt die Initialisierung von Systempositionierungsdaten, Geschäftsprozessmanagement, Benutzerverwaltung, Datenabfragen und mehr, die alle über einen Webbrowser verwaltet werden.

 Was sind die Unterschiede zwischen der UWB-Ortungstechnologie und Bluetooth AoA?

UWB und Bluetooth sind Kommunikationstechnologien und -standards mit jeweils eigenem Standardprotokoll, die auf unterschiedlichen Frequenzbändern arbeiten. UWB folgt dem IEEE 802.15.4-2020-Standard, während Bluetooth zum 5.2-Standard weiterentwickelt wurde.

AoA, AoD, ToF und TDoA sind alles Positionierungsmethoden. AoA kann sowohl mit Bluetooth als auch mit UWB verwendet werden, Bluetooth unterstützt derzeit jedoch keine ToF- oder TDoA-Anwendungen. Dies wird durch die zugrundeliegende Hardware-Technologie bestimmt.

AoA-Methode:  Vereinfacht ausgedrückt berechnet diese Methode die Entfernung zwischen einem Tag und einer Basisstation durch Messung des Winkels zwischen ihnen. Daher ist die Genauigkeit der Winkelmessung der Schlüsselfaktor.

ToF- und TDoA-Methoden:  Vereinfacht ausgedrückt messen diese Methoden die Zeit, genauer gesagt die Signallaufzeit zwischen dem Tag und der Basisstation. Da die Fluggeschwindigkeit drahtloser Signale etwa der Lichtgeschwindigkeit entspricht , ist die erforderliche Messgenauigkeit sehr hoch.

Implementierungsschritte der UWB-Positionierungstechnologie:

Ermitteln Sie den Abstand zwischen Knoten:  Messen Sie die Abstände zwischen verschiedenen Knoten.

Anfangskoordinaten berechnen:  Verwenden Sie einen Positionierungsalgorithmus, um die Anfangskoordinaten zu bestimmen.

Filtern Sie die Anfangskoordinaten:  Wenden Sie eine Filterung auf die Anfangskoordinaten an, um eine genaue Positionierung zu erreichen.

Merkmale der UWB-Technologie in praktischen Anwendungen:

Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung:  UWB-Signale haben eine sehr große Bandbreite, was zu einer hohen Kanalkapazität für die Datenübertragung führt. UWB-Signale können Daten mit Geschwindigkeiten von etwa 500 Mbit/s übertragen. Diese Eigenschaft ermöglicht es UWB, eine entscheidende Rolle bei der Signalmodulation zu spielen.

Geringer Stromverbrauch:  UWB überträgt Daten mit intermittierenden Impulsen von extrem kurzer Dauer, was bedeutet, dass der Stromverbrauch sehr gering ist und typischerweise höchstens einige zehn Milliampere erreicht.

Hohe Sicherheit:  Aufgrund der extrem großen Frequenzbandbreite von UWB-Signalen ist ihre Energie stark über das Spektrum verteilt. Dies macht es schwierig, die Signale zu erkennen und abzufangen, was die Sicherheit und Geheimhaltung der Kommunikation erhöht.

Starke Anti-Multipath-Fähigkeit:  Im Gegensatz zu herkömmlichen drahtlosen Kommunikationssignalen, die im Zeitbereich kontinuierlich sind und daher aufgrund von Multipath-Effekten anfällig für Qualitäts- und Datenratenbeschränkungen sind, bestehen UWB-Signale aus sehr kurzen, schmalen Impulsen. Dadurch überlappen sich die Impulse in Mehrwegeumgebungen nicht, was UWB einen starken Widerstand gegen Mehrwegestörungen verleiht.

Hohe Positionierungsgenauigkeit :  Durch die UWB-Positionierung kann eine Zeitgenauigkeit im Nanosekundenbereich erreicht werden, die in Kombination mit verschiedenen Entfernungsmessalgorithmen eine Positionsschätzung mit Zentimetergenauigkeit ermöglicht. Darüber hinaus verursacht UWB nur minimale Interferenzen mit anderen Geräten.