UWB測位技術
このホワイトペーパーでは、主に原則、スキームの選択、実装方法について紹介します。
さまざまなアプリケーション シナリオにおける UWB 超広帯域測位テクノロジーの概要。
現在、主流の測位技術は、その原理に基づいて 4 つのタイプに分けられます。
音、光、電磁波、UWB
この設計文書では、基本的な分析を行った後、各原理の主な利点と欠点を列挙しています。この文書では主に、UWB 超広帯域測位技術を測位に使用するシステム設計と実装方法について説明しています。
第1章
ポジショニングの原則
原理的には、現在の測位方法は主に音、光、電気、磁気です。慣性航法もありますが、技術がまだ十分に成熟しておらず、適用シナリオも限られているため、ここでは取り上げません。
音
主に超音波の空中飛行時間を計測することで距離を測定します。典型的な送信機はスピーカー、受信機はマイク（携帯電話など）です。送信機は固定情報を送信し、受信機はデータの送信時間を算出して距離に変換します。そして、2点測位または3点測位を用いて測位を行います。
利点:
測位精度は非常に高く、センチメートルレベルに達します。また、比較的シンプルな構造、一定の透過能力、そして超音波自体の強力な耐干渉性を備えています。
デメリット:
空気減衰が大きく、大規模なイベントには適していません。マルチパス効果と見通し外伝播により反射測距に大きな誤差が生じ、基礎となるハードウェア設備の正確な分析と計算が必要になり、コストが高すぎます。
適用範囲：
超音波測位技術は、デジタルペンや海洋探査に広く利用されています。この屋内測位技術は、無人作業場における物体の測位にも利用されています。
可視光ポジショニング
この技術はLEDライトによって開発できます6。LEDライトは高周波の点滅信号を発信し、受信機はそれを受信すると、飛行時間を計算し距離を測定し、位置情報を取得します。
利点:
広いダイナミックレンジ、高速通信が可能。
デメリット:
光の波長が短く、回折能力が低いため、光が遮られやすい。もう一つの方法は、画像認識を用いて、リアルタイムの画像情報とデータベース内の情報を比較することで位置を特定することである。欠点は、画像処理に時間がかかり、消費電力が大きいことである。
磁場測位
地球自体は巨大な磁石であり、地理的な北極と南極の間に基本磁場を形成しています。しかし、この地球の磁場は金属物体、特に鉄筋コンクリート構造の建物によって乱されることがあります。建材（金属構造物）が元の磁場に干渉し、歪ませることで、それぞれの建物に固有の磁気テクスチャが形成されます。つまり、建物内には規則的な屋内磁場が形成されているのです。
事前に現場の磁場情報を収集し、それをトラッカー（携帯電話など）の磁力計で収集した情報と比較することで、正確な位置情報を取得できます。理論上、異なる場所における磁場の差はマイクロ秒単位であり、通常の測定ツールでは検出できません。しかし、建物の干渉によって歪んだ屋内磁場は、磁気信号の差を増幅させ、屋内での磁気データの取得を可能にし、間接的に測位精度を向上させます。室内の各小空間の磁場パターンはそれぞれ異なるため、そのエリアの磁場特性をシステム内の磁場データベースと照合することで、携帯電話の正確な位置を特定できます。精度は通常約2メートルです。
しかし、車両の移動などにより近隣の建物の配置が変化すると磁場も変化し、精度の評価が難しくなります。この方法では磁場の頻繁な校正が必要となるため、推奨されません。
電磁波測位
信号強度
典型的な応用例としては、Bluetoothトラッカー＋Bluetoothゲートウェイがあり、信号強度を計算することで位置を特定できます。当社のB-FixedシステムとB-Mobileシステムはどちらもこの方式を採用しています。主な利点は低コストと容易な配置ですが、精度は最大でも2～3メートルにとどまります。主に資産や人員の地域的な位置特定に使用されます。
AoA
これは通常、Bluetooth Angle of Arrive テクノロジーと呼ばれます。
アドバンテージ：
端末コストが低く、ゲートウェイを 1 つだけ導入すればよく、測位精度も高くなります。
デメリット:
カバー範囲は限定されており、カバー半径はゲートウェイの高さに等しくなります。ゲートウェイは正確に固定する必要があり、使用中に揺れると位置決め効果に影響します。
超広帯域
DARPA と FCC は UWB について異なる定義を提案していますが、パラメータにはわずかな違いがあるだけです。
UWBベースバンド狭パルス仕様：
IR-UWB（インパルス無線UWB）：
正弦波を変調せずにアンテナから直接送信する方式です。この方式はシンプルでリアルタイム、低コスト、低消費電力、耐マルチパス性、そして優れた透過性を備えています。後に802.15.4a規格にも採用されました。
バンドパスキャリア変調:
DS-UWB（直接シーケンス符号分割多重アクセス）とMB-UWB（複数バンド直交周波数分割多重）です。
その中で、IR-UWB は IEEE 802.15.4a-2007 仕様で 2 つの物理層を定義しています。1 つは CSS テクノロジ (ドイツの Nanotron が提供、2.4G で動作する狭帯域測位テクノロジ) であり、もう 1 つは IR-UWB テクノロジです。
UWBペイロード構造:
変調
BPM-BPSK:
BPM（バースト位置変調）とBPSK（2位相偏移変調）を組み合わせたものです。
動作周波数帯域/チャンネル:
利用可能な周波数帯域の分布表は次のとおりです。
チャンネル部門
チャネル区分には500MHzと1GHzの2種類があります。現在、主に使用されているのは500MHzチャネル、つまりチャネル1、2、3、5です。
出力電力と規制:
FCC 規制によれば、最大限度は -41dBm/MHz です。
中国における権力の支配：
第2章
測位技術の比較
UWB測位とBluetooth AoA測位の比較
UWB-AoAとBluetooth AoA測位の比較
原理の比較:
Bluetooth AoA:
この方法は、単一のゲートウェイからの信号角度のみを測定し、距離は測定しません。また、トラッカーの高さは固定であると仮定し、角度と高さの交点から位置を投影します。トラッカーの上下動は、測位精度に重大な影響を与える可能性があります。
UWB-AoA:
この方法は、角度と距離の両方をセンチメートルレベルの精度で測定するため、より正確です。また、トラッカーの位置を3次元的に特定することもできます。
アンテナの比較:
Bluetooth AoA:
この方式では、通常16本または64本のアンテナからなるアンテナアレイとRFスイッチを用いて、複数の到達時間から信号の到達角度と距離を計算します。複雑なアンテナアレイ設計のため、Bluetooth AoAゲートウェイの小型化は困難です。また、ゲートウェイには厳しい設置要件があり、カバーエリアは高さ半径の1～2倍程度に限られます。
UWB-AoA:
この方式は通常、2本のアンテナとPDoA位相差法を用いて最適な角度を計算します。PDoAでは、2本の受信アンテナ間の距離が波長の1/2、つまりλ/2である必要があります。チャネル5（6489.6MHz）の場合、アンカーアンテナ間の距離は2.08cmですが、チャネル9ではさらに近くなります。これによりPDoAは小型化が可能になり、スマートフォン、スマートドアロック、スマートホームコントローラーなどの用途に活用できます。
第3章
UWBテクノロジー
UWBの機能
- UWBは3G〜5G、6G〜10G、合計7Gの周波数帯域をカバーし、単一のチャネルを持っています。
500MHz以上の帯域幅。 - 低消費電力。FCCなどの規制に基づき、出力は-41dBm/MHzに制限されています。500MHzの単一チャネルを基準とした場合、チャネル電力は-14.3dBmです。
- 数十ナノ秒の持続時間を持つ超短パルス。
- 壁の貫通: 壁を効果的に貫通できますが、信号が多少減衰します。
以下の表は、チャネル 2 (中心周波数 4GHz) で動作しているときに壁の貫通によって発生する信号減衰を示しています。
マルチパス識別
電磁波は送信機から受信機へ直接伝わることもあれば、目標物に反射して伝わることもあります。一般的な狭帯域通信では、最も強度の高い信号が処理されることが多く、必ずしも最初に到着した信号とは限りません。
UWB通信では、最初に到達する信号（ファーストパス）は時間差に基づいて正確に識別できます。しかし、直接または透過して到達する信号の場合は、最初のマルチパス信号が必要な直接信号であるとしか想定できません。
他のすべての電磁波と同様に、UWB は金属を透過できません。
正確さ
精度は主に、測距精度、時刻同期精度、測位精度の3つの側面から構成されます。測距精度は、主に測距アルゴリズムと使用されるクロック精度という2つの要因によって影響を受けます。
- 測距精度: DS-TWR はクロック偏差によって発生するエラーを最小限に抑えます。
- 時間同期精度: 測距システムでは、0.5PPMクロック温度補償水晶発振器（TCXO）
より高い精度を実現するために使用できます。測距精度は10cm以内に制御できます。
TCXO を使用することで精度が向上します。UWB無線測位システムでは、測距とTDoAの両方がサポートされています。TDoAでは、すべての測位が ゲートウェイ 無線で同期する必要があります。このシステムの同期精度は0.3nsです。
有線同期方式と比較すると、無線システムははるかにシンプルで、無制限に拡張でき、有線距離の制約を受けません。また、プロジェクト実装の難しさも軽減されます。
- 測位精度: 精度は30cmです。システムの位置精度は様々な要因によって影響を受けます。
10cmという距離測定精度だけでなく、環境要因も考慮する必要があります。10cmという測位精度は、実験室内において干渉のない理想的な環境でのみ達成できます。信号に何らかの乱れがあると、システムに偏差が生じる可能性があります。
第4章
ポジショニングについて
UWBの機能
位置決めの次元は、ユースケースと現場の状況に基づいて選択されます。0次元シーンは主に出入口検知に使用されます。1次元シーンは主にトンネル内などアスペクト比が不均衡なシーンで使用され、工場内でも使用されます。1次元シーンでは、位置決めされたターゲットは直線上に位置合わせされます。2Dシーンは高さ情報なしでXY座標を位置決めしますが、3Dシーンは高さ情報を持ちます。それでも、Z軸の精度を確保するために、システム設置時にアンカーに一定の高さ差が必要です。
ゼロ次元
UWB測位では、より正確なゼロ次元測位を実現するために、一般的に測距が用いられます。測距は、デバイスがアンカーからどれだけ離れているかといった距離制限に用いられます。デバイスがゼロ次元領域に入ったと判断されます。
一次元
ToF、TDoA、または組み合わせた AoA テクノロジーを使用することで、1 次元の測位を実現できます。
UWB トラッカーが 2 つのアンカーを結ぶ直線上にない場合でも、その直線上にある場合があります。
実際の場所:
位置決定結果:
二次元
2次元測位では、目標位置のXY座標が表示されます。アンカーが同じ高さに設置されている場合、測位結果は設置高さの影響を受けません。 トラッカー.
3次元
3 次元測位の結果は、ターゲットの XYZ 座標です。これを実現するには 2 つの方法があります。1 つは距離測定に基づくもので、アンカー間の高さの差が必要です。もう 1 つは AoA に基づくもので、Z 座標の精度を確保するために Z 軸の高角度分解能が必要です。
位置決め方法
現在、UWB測位では主にTOF測距、TDoA、AoA測位が用いられています。最初の2つの方法は独立して機能しますが、後者のAoA測位は通常、ToFまたはTDoAと組み合わせて使用されます。
ToF測位
ToF測位は距離に基づいて行われます。UWBトラッカーは、測位が必要な各アンカーとの測距を開始します。測距が完了すると、位置が計算されます。0次元モードでは1つのアンカーのみで測距できますが、1次元モードでは少なくとも2つのアンカーで測距する必要があります。2次元モードでは通常、測距に3つ以上のアンカーが必要ですが、一部の特殊なモードでは2つのアンカーで十分な場合があります。3次元モードでは4つのアンカーで測距する必要があります。
1 次元の場合、アンカーは上部に配置され、1 つのアンカーのみを使用して 1 次元の配置が実現されます。
1 次元の場合、2 つのアンカーだけで距離を測定できます。
2次元配置：
TDoA ポジショニング
TDoA測位は、信号が2つのアンカーまたは異なるアンテナユニットに到達した際の絶対時間差を検出することで、ターゲットの位置を特定します。これは、信号源と各監視アンカー間の時間同期要件を軽減しますが、アンカー間の時間同期要件は増加します。3つの異なるアンカーを使用することで2つのTDoAを検出でき、モバイルトラッカーは2つのTDoAによって定義される双曲線の交点に位置します。
TDoAの利点は、1回の測位に必要な通信回数が大幅に削減され、ToAよりも高い精度を実現できることです。しかし、この測位は電波の伝播に依存しており、1nsの固有のクロック誤差が30cmの距離誤差を引き起こす可能性があります。そのため、各アンカーのクロックを厳密に同期させる必要があります。また、比較的広い間隔で高精度な同期システムを構築するには、非常に高いコストがかかります。
時間同期には 2 種類あります。
一つは有線接続を使用することで、0.1nsの同期精度を実現できますが、ネットワークの保守と構築の複雑さとコストが増加します。さらに、クロック同期には専用のケーブル（例えばイーサネット）が必要となり、これも高価です。
もう1つは無線接続で、同期精度は0.25nsと有線接続よりわずかに低いものの、システムは比較的シンプルです。 ポジショニングゲートウェイ 必要なのは電源のみで、データの返信にはWiFi、LoRa、またはイーサネットを使用できるため、コストを効果的に削減できます。
AoAポジショニング
到着角度 (AoA) による測位は、一般的に信号間の位相差に基づいていますが、AoA には角度分解能の問題があり、アンカーからの距離が長くなるにつれて測位精度が悪くなるため、単独で使用されることはあまりありません。
AoAは、Time of Flight（ToF）測距と連携して測位を行うことができます。このモードでは、1つのアンカーで測位できます。
2つのアンカーがAoAを通じて位置決めを行うことも可能である。
位置決めモードと消費電力
ここでは主にToFモードとTDoAモードの消費電力を比較します。ToFモードでは、UWBトラッカーは各アンカーとの距離を個別に測定し、複数のランキングが必要になります。通常、1つの距離の測定に5ミリ秒以上かかります。TDoA測位では、UWBトラッカーはメッセージを送信するだけで測位を完了します。通常、準備から送信まで0.5ミリ秒未満で済み、消費電力はToFモードよりもはるかに低くなります。
環境要因
環境要因は多数ありますが、最も一般的なものはエリア内測位とエリア外測位です。
TDoAは信号の到着時間差に基づいているため、通常は到着時間差を距離差に変換した後、双曲線アルゴリズムを用いて測位を行います。双曲線アルゴリズムの限界により、アンカーがカバーするエリア内では測位精度が高く、エリア外では測位精度が比較的低くなります。発電所のような複雑な環境では、システムの導入が非常に困難であり、TDoA測位を用いてアプリケーションのニーズを満たすことは困難です。このような状況では、ToF、またはTDoAとAoAを組み合わせた測位方式が採用されます。
第5章
LoRaWANベースのUWB測位ソリューション
この章では、システムの動作に関する関連デバイスと理論を紹介します。
- UWB アンカー: トラッカーとの距離測定用のビーコンメッセージを送信します。電池駆動で、電池寿命は5年です。
- UWBトラッカー: ビーコンメッセージを受信して、アンカーと定期的に測距します。バッテリー駆動です。
- ロラワン ゲートウェイ： 送信する ビーコン すべてのアンカーとトラッカーにメッセージを送信してクロックを同期し、トラッカーから距離メッセージを受信します。
- サーバ： 距離情報とアンカーの座標を使用してトラッカーの位置を計算します。 セクション4.1サーバーは、アンカーとトラッカーの構成、アンカーの位置の調整、および位置決めエンジンとしての機能にも使用されます。
第6章
測距について
測距法
測距システムには、片側双方向測距 (SS-TWR) と両側双方向測距 (SD-TWR) の 2 つの測距方法があります。
SS-TWR
片側双方向測距の基本原理は、図2のSS-TWR原理の概略図に示されています。デバイスAはデバイスBにパルスを送信します。Tround1の周期の後、デバイスBから返されたパルスを受信します。飛行時間をTpropとすると、概算は以下のように計算されます。
デバイス A とデバイス B は独立したクロック ソースを使用するため、クロックには一定の偏差が生じますが、これも光速度では許容されません。
SD-TWR
両面双方向測距は、信号面双方向測距の拡張測距方式です。2回の往復タイムスタンプを記録し、最終的に飛行時間を取得します。応答時間は長くなりますが、測距誤差は低減します。図3に示すDS-TWR原理の模式図のように、基本原理は以下のとおりです。
- デバイス A はデバイス B にパルスを送信します。
- デバイス B はパルスを受信した後、Treply1 だけ遅延してパルスを送り返します。
- Tround1 の後、デバイス A はデバイス B から送信された応答パルスを受信します。
- デバイス A は Treply2 を遅延させてから、デバイス B に別のパルスを送信します。
- デバイス B は、Tround2 の後に A からの最後のパルスを受信します。
DS-TWR 測距は SS-TWR 測距に基づいた追加の通信であり、2 つの通信の時間によりクロック オフセットによって発生するエラーをキャンセルできます。
DS 測距方式を使用したクロックによって発生する誤差は次のとおりです。
この測距方法の誤差は主に以下の要因によって決まります。
- デバイス A と B のクロック エラー。
- デバイス処理の平均遅延時間。
デバイスAとBのクロック精度が20ppm（不良）で、1ppmが100万分の1であると仮定すると、KaとKbはそれぞれ0.99998または1.00002となり、kaとkbはそれぞれデバイスAとBのクロックの実際の周波数と期待周波数の比となります。デバイスAとBは100m離れており、電磁波の飛行時間は333nsです。したがって、クロックによる誤差は20*333*10^(-9)秒、測距誤差は2.2mmとなり、無視できます。
測距誤差解析
測距エラーにつながる要因としては、環境の乱れ、人体の遮蔽、金属物体の遮蔽、時間の精度、最小時間の粒度などが挙げられます。
典型的な測距シナリオ
さまざまな無線精密測距ユースケースの要件を満たすために、主にポイントツーポイント測距、ポイントツーマルチポイント測距、および自由空間測距の 3 つのモードがあります。
以下では、主にポイントツーマルチポイント測距とフリースペース測距の 2 つのモードについて説明します。
ポイントツーマルチポイント測距
主に2つのデバイス間の距離測定に使用されます。このタイプの距離測定は最もシンプルで、精度が高く、非常に便利です。距離測定は最も基本的な機能であるため、他の方法と統合できます。
代表的なアプリケーションは次のとおりです。
- 車両が走行しているときは、正確な位置を知る必要がありますが、これは距離測定によって行うことができます。
- 囚人が治療のために仮釈放されている場合、刑務官は正確な距離測定を通じて囚人を安全な距離内に維持管理することができ、管理者もプラットフォームを利用して偏愛行為を防ぐことができます。
- ドローンと人間の間の正確な距離測定。
- ツアーグループは、UWB を通じて各人とツアーガイドとの距離を制御し、誰も迷子にならないようにすることができます。
自由空間測距
自由空間測距は比較的特殊な測距モードです。主な理由は、すべてのターゲットが空間内を移動していることです。測距を行う前に、デバイスは周囲の状況を把握する必要があります。測距ターゲットが多数ある場合は、相互干渉を避け、測距が適切に行われないように、ターゲットを適切に配置する必要があります。
フリースペースレンジングは主に次の 2 つの目的で使用されます。
空間関係ネットワーク:
例えば、ドローン編隊は、すべてのターゲット間の空間距離に基づいて自己組織化ネットワークを形成できます。GNSSシステムがない場合、UWBを使用して空間編隊の位置関係ネットワークを形成できます。
このシステムを無線通信のメッシュ ネットワークに適用すると、メッシュが決定を下すための距離パラメータも提供できるようになります。
衝突防止:
たとえば、線路上を走行する保守用機関車は、この動的距離測定に基づいて別の保証を得ることができます。
第7章
スキーム設計
衝突防止システムと測位システム：
衝突防止システムに搭載されるデバイスはUWBゲートウェイと呼ばれ、外部電源で駆動します。人が装着するデバイスはUWBトラッカーと呼ばれ、充電式バッテリーで駆動します。
ポジショニングエンジン:
これは測位デバイスの位置を計算するためのものです。測位エンジンは、地図上のゲートウェイの相対位置と、UWBトラッカーとゲートウェイ間の距離を使用して、UWBトラッカーの位置を特定し、位置座標を出力します。
位置キャリブレーション:
地図上にゲートウェイの位置を示す（原点とゲートウェイの位置を示すなど）必要があります。ゲートウェイは固定されており、勝手に移動することはできません。
地図表示:
お客様は独自の地図ファイルをアップロードし、位置キャリブレーションで対応する原点情報を提供することで、測位デバイスのリアルタイム位置を平面地図上に表示できます。
衝突防止システムのスキーム設計
UWBトラッカーの情報。UWBトラッカーは4秒ごとに測距を行います。ゲートウェイに近づくと、トラッカーは1秒ごとに距離を測定し、電力を節約して待機時間を延長します。
ゲートウェイはフォトカプラ絶縁のIOインターフェースを備えています。UWBトラッカーとゲートウェイ間の距離が3メートル未満の場合、ゲートウェイは高レベルの出力電力を出力します。絶縁されたIOは、外部の音と光によるアラームに接続できます。
エリア区分は 図6: 衝突防止システムのエリア区分。（次のページ）
測位システムスキーム設計
ゲートウェイとUWBトラッカーはどちらもUWBモジュールとLoRaモジュールを搭載しています。UWBモジュールは距離測定と測位に使用され、LoRaモジュールは…
UWB トラッカーは、UWB トラッカーとゲートウェイ間の距離、ID、およびその他のパラメータを LoRa を介してアプリケーション システムに送信します。
アプリケーションシステムは、測位エンジン、地図表示、位置キャリブレーションの3つのソフトウェアモジュールで構成されています。これらのソフトウェアモジュールはLinux環境で実行する必要があります。また、ウィンドウシステムにLinux仮想マシンをインストールすることもできます。Linux環境では、少なくとも8GBのメモリと20GBのハードディスクが必要です。
システムワークフロー
衝突防止システムのワークフロー:
- ゲートウェイは外部電源を使用するため、いつでもデータをテストする準備ができています。
- ゲートウェイと UWB トラッカーは距離測定に DS-TWR を使用します。
- UWB トラッカーはゲートウェイとの距離を定期的に（4 秒）測定します。
- UWB トラッカーは近くのゲートウェイを検出し、ゲートウェイまでの距離を測定し、その後、自身の距離測定サイクルを 1 秒に変更します。
- ゲートウェイは、UWB トラッカーからの距離に基づいてアラーム信号 (音と光によるアラーム) を出力します。
測位システムのワークフロー:
- 位置キャリブレーション ソフトウェアを実行して、ゲートウェイの実際の設置位置をキャリブレーションします。
- 測位エンジン ソフトウェアを実行して、UWB トラッカーとゲートウェイ間の距離に基づいて、UWB トラッカーの位置情報を計算します。
- ゲートウェイと UWB トラッカーは距離測定に DS-TWR を使用します。
- UWB トラッカーは、近くにある複数のゲートウェイとの距離を定期的に測定します。
- UWB トラッカーは、複数のゲートウェイからの距離を LoRa 形式で測位エンジンに送信します。
- 測位エンジンによって算出された位置情報は、地図表示ソフトウェアに送信され、表示されます。
位置計算
測位エンジンは、ゲートウェイとUWBトラッカー間の距離と、三角測量によるゲートウェイの位置座標に基づいて、UWBトラッカーの位置情報を計算できます。 位置計算三角測量.
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