TWR位置測位技術 :: ORBRO | 位置測位とデジタルツイン専門プラットフォーム

Two-Way Ranging

TWRベースの高精度RTLS距離演算

UWB-TWR（Two-Way Ranging）はRTTに基づいて距離を計算し、SNR/RSSI品質精製・NLOS補正・時間軸連続性安定化・出力品質検証を含む6段階のパイプラインにより、屋内環境でも信頼性の高い距離/座標を提供します。

Introduction

精密な位置測位は、人、資産、設備のリアルタイムな可視性を確保するための核心的なインフラとして定着しています。産業、物流、医療などの様々な分野では、オブジェクト間の相対距離または絶対座標を数cm単位で把握する機能が、自動化、安全対応、空間最適化の基盤となります。その中でもTwo-Way Ranging（TWR）は、構造がシンプルでありながら独立した距離計算が可能な技術として、様々な位置認識システムの基盤として活用されています。TWRは2つのデバイス間の信号の往復時間（Round Trip Time、RTT）を測定して距離を計算する方式で、別途の時間同期インフラなしでも距離情報を安定的に確保できるという利点があります。具体的には、送信機がPoll信号を発信し、受信機がこれに応答（Response）を送信します。送信機は全体の往復時間から応答遅延を除いた純粋な伝播時間（Time of Flight）を計算し、これを光速に乗じてデバイス間の距離を算出します。このプロセスはUWB（Ultra-Wideband）通信をベースに数ns単位で行われ、構造的な簡潔さとリアルタイム性の両方を満たします。 TWR方式は、特にスマートフォン、車両、医療機器、ウェアラブルデバイスなど、端末中心の距離演算が必要な環境で強みを発揮します。受信機との関係を端末が直接計算できるため、中央集中型システムなしでも距離ベースの判断が可能であり、様々な端末間の距離推定、接近検知、相互作用トリガーなどに活用できます。このような理由から、TWRは屋内位置測位システム（RTLS）の核心技術の一つとして定着しており、複数の受信機間の距離データを活用して座標化（三辺測量）へと拡張できる柔軟な構造を持っています。ただし、構造的な利点だけでは十分ではありません。TWRは屋内環境において、様々な信号の歪みや距離演算の不安定性に繰り返しさらされます。本ホワイトペーパーでは、ORBROがTWRの構造的限界をどのように再解釈し、信号の受信から距離の出力までの全フローを統合的に設計したかを技術的に説明します。

TWRの構造的限界とORBROの信号処理ベースの対応

TWR（Two-Way Ranging）は、構造的に簡潔で、時間同期を必要とせず、端末で直接距離計算が可能であるという点で、様々な環境に適用可能な技術です。しかし、信号自体に対する精製なしに単一の往復時間（RTT）に基づいて距離値を算出する構造は、屋内環境ではいくつかの限界に直面することになります。 UWBベースのTWRは6〜8.5GHz帯の高周波信号を使用します。この信号は壁、柱、床、天井などの屋内構造物によって反射されやすく、受信経路が直線（LOS）でない場合、実際よりも長い距離として計算されることがあります。特に非視認（NLOS）環境では、反射経路で到達した信号が演算に含まれ、距離値が急変したり歪んだりする問題が頻繁に発生します。単一フレームの距離値に依存する構造的特性上、このような環境ノイズはそのまま距離値の不安定性につながります。また、一般的なTWRモジュールは受信信号をそのまま距離に換算した後、別途の検証なしにすぐに出力する構造を採用する場合が多いです。これにより、リアルタイム位置システム（RTLS）では距離出力の一貫性が低下し、座標算出段階で不連続や歪み現象が繰り返し発生することになります。 ORBROは、このような構造的限界を単純な後処理や平均化方式ではなく、距離演算の全過程自体を品質ベースで再設計する方式で対応します。信号の受信から距離の出力までのフローを以下の4つの演算構造に分解し、各段階に定量基準と例外処理構造を挿入することで、距離ベースの演算品質の一貫性と安定性を同時に確保します。

TWR演算の4つの核心構造

1. 高周波ノイズの精製

UWB信号は高周波の特性上、反射と干渉に敏感です。ORBROは受信時点でSNR、RSSI、反射遅延など様々な信号品質指標をリアルタイムで収集し、品質の低いサンプルは距離演算の前の段階で除去するか、低い重みで処理します。この構造は測定値の分散を構造的に抑制し、距離値の精度を向上させます。

2. 反射信号の補正およびNLOS対応

単一のRTT値に反射経路が含まれる場合、距離の歪みが発生します。ORBROは距離の収束パターンと繰り返し測定間の距離フローを分析し、収束しない値や急激に長くなる値を異常値と判断して演算から自動的に排除または調整します。これにより、NLOS環境でも安定した距離フローを確保できます。

3. 時間軸連続性ベースの距離安定化

距離値がフレームごとに大きく揺れる場合、座標演算の一貫性が損なわれます。ORBROは拡張カルマンフィルタ、パーティクルフィルタ、移動平均フィルタなどのアルゴリズムを組み合わせて距離値の時間的流れを追跡し、連続性が低下した場合は出力保留または自動補正を行います。

4. 距離出力の品質検証

距離演算が完了しても、ORBROは別途の品質基準を通過した結果のみを出力します。信号品質スコア、時間軸の傾向、前フレームとの整合性などが評価項目に含まれ、基準を満たさない結果はシステム上で例外処理されます。これにより、距離ベースの位置演算の信頼性を維持できます。

ORBRO TWRと従来のTWR方式の比較

項目

従来のTWR方式

ORBRO TWR構造

信号受信の処理方式

受信信号をそのまま距離計算に使用、ノイズ除去機能なし

SNR、RSSI、反射遅延ベースの品質分析後、不安定な信号を自動フィルタリング

NLOSおよび反射補正

反射経路を含む距離値もそのまま出力され、歪んだ距離が含まれる可能性が高い

距離収束パターンの分析および繰り返し測定に基づき、異常値を自動排除または調整

距離の時間的連続性処理

単一測定値ベースの距離算出、フレーム間の不連続や急激な跳ね上がりが発生

カルマンフィルタ、パーティクルフィルタなどを活用し、距離フローの時間軸連続性を維持

出力値の検証構造

距離値をそのまま出力、信頼性検証および例外処理の構造なし

出力前に信号品質、時間軸の傾向、整合性を検証、基準未達時は自動保留または例外処理

演算フローの制御レベル

各段階別の品質制御が不可能

信号の受信から距離の算出、品質検証まで、すべての演算過程を内部構造で統合制御

正確な距離を作る6段階の演算フロー：信号から座標まで、ORBRO TWRが作動する方式

ORBROのTWRシステムは、単純なRTT計算構造を超えて、距離測定の信頼性と演算品質を確保するための多段階信号処理構造で設計されています。各段階は受信された信号の品質を定量的に評価し、距離値が出力されるまでの全フローを安定的に制御できるように構成されています。

Step 1. Pollメッセージ送信および受信信号の確保

TWR演算の開始はPoll信号の送信から始まります。送信機はUWBベースのPoll信号を送信し、受信機はこれを検知して信号の到達時刻だけでなく、SNR、RSSI、反射遅延などの品質メタデータを共に収集します。ORBROはこの段階で高感度受信回路と専用フィルタリングアルゴリズムを適用し、初期受信信号のうち不安定なサンプルを演算前に除去します。

Step 2. Responseメッセージ送信およびRTT収集

Poll受信後、受信機は決められた遅延時間に従ってResponseメッセージを送信します。送信機はこのResponseを受信した後、全体の往復時間（RTT）を記録し、ORBROはここで高精度な内部クロック基準で時間測定値を確保し、演算遅延および送受信遅延時間の誤差を共に考慮して信号時間を整列します。

Step 3. 距離計算および信号品質ベースの精製

RTTから固定された応答遅延を除いた後、純粋な伝播時間（TOF）を算出します。このTOF値は光速を乗じて距離を計算するために使用され、ORBROはこの距離値に対して再度、信号品質ベースのフィルタリングを行います。品質の低い結果は距離出力から排除または保留されます。

Step 4. 時間軸連続性の評価および距離の安定化

TWR演算は非線形最適化問題であるため、初期値が不正確な場合に演算が発散する危険があります。ORBROは演算可能な空間のZ軸（高度）範囲を事前定義し、受信機間の配置条件とタグ-受信機間の幾何情報を活用して、物理的に可能な領域内でのみ演算が行われるように解空間を制限します。

Step 5. 距離演算品質の検証および座標変換

距離演算が完了すると、ORBROは内部品質基準に従って、該当する距離値が最終出力条件を満たしているかを検証します。距離の品質、座標の幾何整合性、時間軸の傾向などを基準に判断されます。

Step 6. 最終的な距離または位置の出力

すべての検証基準を満たした距離値または座標値のみが最終出力の対象として採用されます。リアルタイムRTLSシステムでは、このデータがUIまたは外部プラットフォームに伝達され、出力された値には信号品質スコアやエラーフラグなどが含まれます。

信頼性は数値で証明されます： ORBRO TWRの定量性能比較

位置ベースのシステムの技術的設計は構造と理論で説明できますが、実際の運用環境での性能は結局、数値で評価されます。ORBROはTWRの構造的限界を距離演算の全過程を再設計することで克服してきました。本章では、ORBROのTWRシステムが実際の環境でどれほど精密かつ安定的に作動するかを定量指標を通じて確認します。

1. 平均距離誤差 (cm)

平均距離誤差は実際の物理的距離と測定された距離値の差を数値化した指標です。ORBRO TWRは信号受信段階でSNRベースのフィルタリングを適用し、演算の中心値の歪みを防止します。その結果、平均距離誤差を20cmレベルに抑えました。

2. 距離出力の安定性 (%)

距離出力の安定性は、連続した距離値が基準偏差（±10%）以内で維持される割合を意味します。ORBROは距離収束構造とフレーム連続性補正アルゴリズムを適用し、全フレームの96%以上で安定した距離値を維持します。

3. NLOS条件の距離歪み率 (%)

非視認環境（NLOS）で距離値が実際より過度に長くなる現象は、TWR構造の代表的な歪みの例です。ORBROは歪み率を4%以下に抑制し、これは従来のシステムより約4.5倍改善された数値です。

4. 時間軸距離不連続の発生率 (%)

距離値が時間軸で急変したり異常に逸脱したりする場合、リアルタイム座標推定の信頼性が低下します。ORBROは不連続発生率を2%レベルに抑え、演算の連続性を確保しました。

5. 距離ノイズ抑制率 (%)

距離ノイズ抑制率は、全体受信サンプルのうち、受信品質が一定基準を満たさない値を除去した割合です。ORBROは平均93%以上の有効な距離サンプルを確保し、全体の演算信頼性を向上させます。

距離測定の不確実性を減らせば、位置測位の信頼性が完成します。

TWRは構造的に簡潔で端末中心の独立演算が可能ですが、室内環境ではノイズや反射などの限界がありました。ORBROは距離演算を「品質制御可能な演算フロー」として構造化することで、これを克服しました。正確な距離計算なしには、信頼できる位置測位もありません。ORBROは距離値一つもシステム的に設計し、RTLS運用の精密さと一貫性を技術的に完成させます。

ソリューションの主な強み