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超広域帯(Ultra Wide Band:UWB)インパルス無線を利用した測距技術

SFH帯におけるUWBの開発にも取り組んでおります。ここでは超広帯域(UWB)インパルス無線を利用した測距、位置検出システム無線機の試作開発についてご紹介いたします。

UWB無線機の概要

UWBは、高速大容量通信向け(主にWireless USBをターゲット)に発足した規格でしたが、近年、低速/測距センシングを用いるRTLS(Real Time Location System)向けへと需要が変化し、海外では法整備も行われ、実績も拡大傾向、その動向をキャッチし、いち早く開発に着手しました。
当社マイクロ波設計技術と産学連携による九州大学様アンテナ技術を用いて、測距測位システムの原理試作機を設計開発し、社内での実証実験により、見通し通信において、位置精度とリアルタイム性能の確認が出来ましたので、その内容をご紹介いたします。

国内のRTLSでは、法整備の規制緩和が屋内使用に限定され、国内周波数向けの無線チップ開発が進んでいない状況の為、市場の立ち上がりが鈍化しています。
当社では、RTLSの先行開発と、屋外使用の法整備/国内向け無線チップの普及によって、いち早く市場の要求に応える準備を整えました。

国内UWB規格(ARIB-STD T91, TELEC-T406)
項目 内容
使用周波数、
送信レベル
Lowバンド Low : 3.4~4.8GHz
Txレベル平均:-41dBm/MHz、ピーク0dBm/50MHz
Highバンド High: 7.25~10.25GHz
Txレベル平均:-41dBm/MHz、ピーク0dBm/50MHz
帯域幅 占有周波数帯域幅:Low: 1.4GHz, HighB: 3.0GHz 以下
拡散周波数帯域幅:Low、High共に450MHz 以上
データ転送速度 Lowバンド Low : 3.4~4.8GHz    50MBPS以上
Highバンド High: 7.25~10.25GHz  規定なし
空中線 0dBi以下使用
UWB無線機でできること

UWB無線機を使用して親機⇔子機間の通信を通して測距が可能です。

UWB無線機を使用した測距原理

Time of Arrival (TOA)方式と呼ばれ、UWB信号パルス伝搬時間を測定し、光速(電波伝搬速度)をかけて距離を算出します。

測距原理図

UWB無線アプリケーション例

三角矢印測距についての例

フォークリフトなどの現場において、機器に親機をつけ、作業者に子機を持たせ、親機が迫ってきた場合等に測距し危険予知を知らせます。

測距についての例

三角矢印測位についての例

4点測位法による計算でTag位置 X軸、Y軸をシステム画面に表示することができます。

測位についての例

UWB無線試作機/装置構成

コスト的に優位な欧州向け無線チップセットを使用し、欧州UWB Lowバンドを国内Highバンド化周波数変換回路をマイクロ波設計技術で実現しました。

UWB回路図

UWB試作機基板

UWB無線試作機/測距実証実験結果

三角矢印システム構成

測距実証実験システム構成図

三角矢印測距実証実験結果

  • アンカーとタグの測距制度±15cmを実現 ※1(見通し通信)
  • アンカーとタグの最大通信距離70m ※1(見通し通信)
  • 国内特定小電力技術適合証明取得

※1 電波環境によって性能が劣化することがあります。

UWB無線試作機/測位実証実験結果

三角矢印システム概要

パソコンにLAN経由にてマスターアンカーを設置し、タグを受信するアンカーを8台設置。タグを頭上につけ、平面図内施設外周を歩行し、測位を実施しました。

三角矢印システム構成

測位実証実験システム構成図

三角矢印測位実証実験結果

測位実証実験結果説明図

  • 4点測位法による計算で X、Y軸上のTag位置を算出。移動軌跡を上記図面「青点」でリアルタイムに描画。
  • アンカーとタグ間の見通通信が確保された環境においては、期待値通りの結果を出力され、屋内GPSを実現。
UWB無線試作機/仕様諸元
要件 内容 備考
1 無線チップ 欧州UWB-Lowバンド規格対応品
2 使用範囲、使用温度 日本全国、-10~+50度 屋内使用に限定される
3.1 電源仕様(Tag) リチウムイオン 2次電池
3.2 電源仕様(アンカー) USB電源 DC +5V
4 無線通信方式 半2重単信、時分割多重方式
5 送信周波数 国内UWB-Highバンド周波数 8.6GHz
6 送信電力 平均 -41.3dBm/MHz以下, 尖頭 0dBm/50MHz以下 ARIB-STD T91 Ver2.0
7 実効データ転送速度 850KBPS 国内Highバンド適用
8.1 サイズ(Tag) 約 90(W) × 60(D) × 20(H) mm
8.2 サイズ(アンカー) 約 120(W) × 120(D) × 45(H) mm
9 空中線 他社評価用アンテナ
10 無線通信飛距離 Max見通し 約 70m 850KBPS
11 測距方式、測距精度 方式TDOA*、精度±15cm 2WayRange測距
12 外部 I/F マスターアンカー:EtherNet (LAN)
13 アプリケーション 屋内GPS 物品所在管理、人員動体遷移
さらなる精度向上を目指して

今回の実証実験では見通し通信での結果ですが、実現場における精度向上を目指して研究開発に取り組んでおります。
また、現在、九州大学と産学共同研究で、ビームステアリング可能な高指向性 UWBアンテナの開発を進めています。


UWB-Highバンドフェーズアレービームステアリングアンテナ
周波数 8.6GHz UWB-Highバンド
帯域幅 800MHz~1000MHz
アンテナ利得 1~1.7dBi
偏波面 垂直偏波
指向性 片面指向性制御
アンテナビーム制御幅 水平方向±30度
ビームステアリング±30度を実現

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