Explorando las ventajas únicas de la tecnología UWB: logrando un posicionamiento de alta precisión

La tecnología de posicionamiento UWB es un método de seguimiento de ubicación preciso mediante señales inalámbricas. Determina la posición exacta de un objeto midiendo parámetros como el tiempo de llegada, la diferencia de fase y la energía de la señal de señales de radio de banda ultraancha.

La tecnología de posicionamiento UWB ofrece varias ventajas. En primer lugar, proporciona una alta precisión de posicionamiento, lo que permite una localización precisa a nivel milimétrico. En segundo lugar, UWB tiene fuertes capacidades antiinterferencias, lo que le permite mantener un buen rendimiento de posicionamiento incluso en entornos con interferencia y propagación por trayectos múltiples. Además, la tecnología UWB tiene una buena capacidad de penetración, lo que le permite localizar objetos a través de determinados obstáculos.  

Un sistema de posicionamiento UWB se compone de estaciones base UWB y etiquetas UWB.

 En un sistema de posicionamiento UWB, una única etiqueta interactúa con tres estaciones base para realizar la triangulación. Hasta 30 etiquetas pueden comunicarse con estas tres estaciones base simultáneamente, lo que permite un posicionamiento y seguimiento de alta precisión de múltiples objetivos.

Uso del método de posicionamiento plano de tres puntos para un cálculo de ubicación preciso : en los sistemas de posicionamiento UWB y AoA, se emplea el método de posicionamiento plano de tres puntos. Al hacer que tres estaciones base conocidas reciban señales de una etiqueta desconocida, el sistema puede medir con precisión el tiempo de llegada de la señal, logrando así un posicionamiento de alta precisión. 

Un sistema de posicionamiento UWB puede, dentro del área de cobertura de las estaciones base UWB, funcionar junto con etiquetas UWB y utilizar el algoritmo TDOA junto con dispositivos de visualización de terminales para realizar tareas complejas como posicionamiento, monitoreo y seguimiento del personal. Este sistema permite la gestión de localización y seguimiento en tiempo real de personas y objetos, consiguiendo una precisión de posicionamiento de 10 a 30 centímetros.

El posicionamiento Bluetooth AoA (ángulo de llegada) y AoD (ángulo de salida) utiliza la misma tecnología subyacente. Cuando se utiliza el método del ángulo de salida (AoD), el dispositivo transmisor contiene una matriz de múltiples antenas que envía una señal especial de radiogoniometría. Luego, otro dispositivo utiliza esta señal para calcular la dirección desde la cual se recibe la señal.

El sistema de posicionamiento UWB generalmente se divide en tres capas: la capa de percepción de posicionamiento, la capa de transmisión de red y la capa de aplicación de posicionamiento. Incluye principalmente los siguientes componentes: servidor del motor de posicionamiento, terminal inteligente, conmutador, estación base UWB, etiqueta UWB, módulo UWB e interfaces de software.

Principio de funcionamiento del posicionamiento UWB

Cada etiqueta de posicionamiento transmite continuamente tramas de datos mediante pulsos UWB.

Las ráfagas de pulsos UWB enviadas por la etiqueta de posicionamiento son recibidas por las estaciones base de posicionamiento.

 Cada estación base de posicionamiento utiliza un detector de pulso corto altamente sensible para medir el tiempo en el que cada cuadro de datos de la etiqueta de posicionamiento llega a la antena del receptor.

El motor de posicionamiento se refiere a los datos de calibración enviados por la etiqueta para determinar la diferencia horaria de llegada entre diferentes estaciones base de posicionamiento. Luego calcula la posición de la etiqueta utilizando algoritmos de trilateración y optimización.

El posicionamiento de estaciones base múltiples suele emplear algoritmos TDOA (diferencia horaria de llegada) y TOA (hora de llegada).

 La arquitectura del sistema de posicionamiento AoA se divide en cuatro capas: capa de objeto, capa de recopilación, capa de procesamiento y capa de presentación.

 Capa de Objetos:  Incluye los dispositivos u objetos que se están posicionando, los cuales interactúan con el sistema enviando señales.

 Capa de recolección:  Compuesta por dispositivos receptores (como estaciones base), se encarga de recibir señales de la capa de objetos y medir el Ángulo de llegada (AoA) de las señales.

 Capa de procesamiento:  esta capa incluye el servidor del motor de posicionamiento, el servidor de datos y el servidor empresarial. Los servidores son responsables del cálculo de la ubicación, el análisis de datos, la validación de datos y otras tareas.

 Capa de presentación:  esta capa maneja la inicialización de los datos de posicionamiento del sistema, la gestión de procesos comerciales, la gestión de usuarios, las consultas de datos y más, todo lo cual se administra a través de un navegador web.

 ¿Cuáles son las diferencias entre la tecnología de posicionamiento UWB y Bluetooth AoA?

UWB y Bluetooth son tecnologías y estándares de comunicación, cada uno con su propio protocolo estándar y operan en diferentes bandas de frecuencia. UWB sigue el estándar IEEE 802.15.4-2020, mientras que Bluetooth ha evolucionado hasta el estándar 5.2.

AoA, AoD, ToF y TDoA son todos métodos de posicionamiento. AoA se puede utilizar tanto con Bluetooth como con UWB, pero Bluetooth actualmente no admite aplicaciones ToF o TDoA. Esto está determinado por la tecnología de hardware subyacente.

Método AoA:  en términos simplificados, este método calcula la distancia entre una etiqueta y una estación base midiendo el ángulo entre ellas. Por tanto, el factor clave es la precisión de la medición de los ángulos.

Métodos ToF y TDoA:  en términos simplificados, estos métodos miden el tiempo, específicamente el tiempo de vuelo de la señal entre la etiqueta y la estación base. Dado que la velocidad de vuelo de las señales inalámbricas es aproximadamente la velocidad de la luz , la precisión de medición requerida es muy alta.

Pasos de implementación de la tecnología de posicionamiento UWB:

Obtenga la distancia entre nodos:  mida las distancias entre varios nodos.

Calcular coordenadas iniciales:  utilice un algoritmo de posicionamiento para determinar las coordenadas iniciales.

Filtrar las coordenadas iniciales:  aplique filtrado a las coordenadas iniciales para lograr un posicionamiento preciso.

Características de la tecnología UWB en aplicaciones prácticas:

Transmisión de datos de alta velocidad:  las señales UWB tienen un ancho de banda muy grande, lo que resulta en una alta capacidad de canal para la transmisión de datos. Las señales UWB pueden transmitir datos a velocidades de alrededor de 500 Mbps. Esta característica permite que UWB desempeñe un papel crucial en la modulación de señales.

Bajo consumo de energía:  UWB transmite datos mediante pulsos intermitentes con duraciones extremadamente cortas, lo que significa que su consumo de energía es muy bajo, normalmente solo alcanza unas pocas decenas de miliamperios como máximo.

Alta seguridad:  debido al ancho de banda de frecuencia extremadamente amplio de las señales UWB, su energía está altamente dispersa en todo el espectro. Esto hace que las señales sean difíciles de detectar e interceptar, mejorando la seguridad y el secreto de la comunicación.

Fuerte capacidad anti-trayectos múltiples:  a diferencia de las señales de comunicación inalámbrica convencionales, que son continuas en el dominio del tiempo y, por lo tanto, susceptibles a limitaciones de calidad y velocidad de datos debido a efectos de trayectos múltiples, las señales UWB consisten en pulsos estrechos de muy corta duración. Como resultado, en entornos de trayectos múltiples, los pulsos no se superponen, lo que proporciona a UWB una fuerte resistencia a la interferencia de trayectos múltiples.

Alta precisión de posicionamiento :  el posicionamiento UWB puede lograr una precisión de sincronización de nivel de nanosegundos que, cuando se combina con varios algoritmos de medición de distancia, permite la estimación de posición con precisión de centímetros. Además, UWB tiene una interferencia mínima con otros dispositivos.