Công nghệ theo dõi vị trí TWR :: ORBRO | Nền tảng chuyên dụng cho theo dõi vị trí và Digital Twin

Two-Way Ranging

Tính toán khoảng cách RTLS độ chính xác cao dựa trên TWR

UWB-TWR (Two-Way Ranging) tính toán khoảng cách dựa trên RTT và cung cấp khoảng cách/tọa độ đáng tin cậy ngay cả trong môi trường trong nhà thông qua quy trình 6 bước bao gồm tinh lọc chất lượng SNR/RSSI, hiệu chỉnh NLOS, ổn định tính liên tục của trục thời gian và xác minh chất lượng đầu ra.

Giới thiệu

Theo dõi vị trí chính xác đang trở thành cơ sở hạ tầng cốt lõi để đảm bảo khả năng hiển thị thời gian thực của con người, tài sản và thiết bị. Trong các lĩnh vực như công nghiệp, logistics, y tế, khả năng xác định khoảng cách tương đối hoặc tọa độ tuyệt đối giữa các đối tượng ở đơn vị cm là nền tảng cho tự động hóa, ứng phó an toàn và tối ưu hóa không gian. Trong số đó, Two-Way Ranging (TWR) được sử dụng rộng rãi nhờ cấu trúc đơn giản nhưng có khả năng tính toán khoảng cách độc lập. TWR đo thời gian khứ hồi (Round Trip Time - RTT) của tín hiệu giữa hai thiết bị để tính khoảng cách, giúp thu thập thông tin khoảng cách ổn định mà không cần cơ sở hạ tầng đồng bộ thời gian riêng biệt. Cụ thể, bộ phát gửi tín hiệu Poll và bộ thu gửi phản hồi (Response). Bộ phát tính toán thời gian truyền dẫn thuần túy (Time of Flight) bằng cách trừ đi độ trễ phản hồi từ tổng thời gian khứ hồi, sau đó nhân với tốc độ ánh sáng để tính ra khoảng cách giữa các thiết bị. Quá trình này diễn ra ở đơn vị ns dựa trên giao tiếp UWB (Ultra-Wideband), đáp ứng cả tính đơn giản về cấu trúc và tính thời gian thực. Phương pháp TWR đặc biệt thế mạnh trong môi trường yêu cầu tính toán khoảng cách tập trung vào thiết bị đầu cuối như điện thoại thông minh, xe cộ, thiết bị y tế, thiết bị đeo. Vì thiết bị có thể trực tiếp tính toán mối quan hệ với bộ thu, nên có thể đưa ra phán đoán dựa trên khoảng cách mà không cần hệ thống tập trung, và có thể ứng dụng vào ước tính khoảng cách giữa các thiết bị, phát hiện tiếp cận, kích hoạt tương tác. TWR đã trở thành công nghệ cốt lõi của hệ thống theo dõi vị trí trong nhà (RTLS) và có cấu trúc linh hoạt có thể mở rộng thành tọa độ hóa (trilateration) bằng cách sử dụng dữ liệu khoảng cách giữa nhiều bộ thu. Tuy nhiên, chỉ ưu điểm về cấu trúc là không đủ. TWR liên tục bị ảnh hưởng bởi sự biến dạng tín hiệu và tính không ổn định của phép tính khoảng cách trong môi trường trong nhà. Trong tài liệu trắng này, chúng tôi sẽ giải thích về mặt kỹ thuật cách ORBRO diễn giải lại các hạn chế cấu trúc của TWR và thiết kế tích hợp toàn bộ luồng từ tiếp nhận tín hiệu đến đầu ra khoảng cách.

Hạn chế cấu trúc của TWR và phản ứng dựa trên xử lý tín hiệu của ORBRO

TWR (Two-Way Ranging) là công nghệ có thể áp dụng cho nhiều môi trường khác nhau nhờ cấu trúc đơn giản, không yêu cầu đồng bộ thời gian và cho phép tính toán khoảng cách trực tiếp trên thiết bị. Tuy nhiên, cấu trúc tính toán giá trị khoảng cách dựa trên một thời gian khứ hồi (RTT) duy nhất mà không có sự tinh lọc tín hiệu sẽ đối mặt với nhiều hạn chế trong môi trường trong nhà. TWR dựa trên UWB sử dụng tín hiệu tần số cao trong dải 6~8.5GHz. Tín hiệu này dễ dàng bị phản xạ bởi các cấu trúc trong nhà như tường, cột, sàn, trần nhà. Trong môi trường không có tầm nhìn thẳng (NLOS), tín hiệu truyền qua đường phản xạ được đưa vào tính toán, khiến giá trị khoảng cách thay đổi đột ngột hoặc bị biến dạng. Do đặc tính phụ thuộc vào giá trị khoảng cách đơn khung hình, các nhiễu môi trường này dẫn đến sự không ổn định của giá trị khoảng cách. ORBRO đáp ứng các hạn chế cấu trúc này không phải bằng các phương pháp xử lý hậu kỳ hay tính trung bình đơn giản, mà bằng cách thiết kế lại toàn bộ quá trình tính toán khoảng cách dựa trên chất lượng. Chúng tôi chia luồng từ tiếp nhận tín hiệu đến đầu ra khoảng cách thành bốn cấu trúc tính toán, chèn các tiêu chuẩn định lượng và cấu trúc xử lý ngoại lệ vào từng giai đoạn để đảm bảo tính nhất quán và ổn định của chất lượng tính toán dựa trên khoảng cách.

Bốn cấu trúc cốt lõi của tính toán TWR

1. Tinh lọc nhiễu tần số cao

Tín hiệu UWB nhạy cảm với phản xạ và nhiễu do đặc tính tần số cao. ORBRO thu thập các chỉ số chất lượng tín hiệu như SNR, RSSI, độ trễ phản xạ theo thời gian thực tại thời điểm tiếp nhận, loại bỏ các mẫu chất lượng thấp trước khi tính toán khoảng cách hoặc xử lý với trọng số thấp. Cấu trúc này ngăn chặn sự phân tán của các giá trị đo và cải thiện độ chính xác.

2. Hiệu chỉnh tín hiệu phản xạ và ứng phó NLOS

Khi một giá trị RTT duy nhất bao gồm đường phản xạ, sự biến dạng khoảng cách sẽ xảy ra. ORBRO phân tích mô hình hội tụ khoảng cách và luồng khoảng cách giữa các lần đo lặp lại, xác định các giá trị không hội tụ hoặc tăng đột ngột là các giá trị bất thường và tự động loại trừ hoặc điều chỉnh chúng. Điều này giúp đảm bảo luồng khoảng cách ổn định ngay cả trong môi trường NLOS.

3. Ổn định khoảng cách dựa trên tính liên tục của trục thời gian

Nếu giá trị khoảng cách dao động mạnh giữa các khung hình, tính nhất quán của phép tính tọa độ sẽ bị phá vỡ. ORBRO kết hợp các thuật toán như bộ lọc Kalman mở rộng, bộ lọc hạt và bộ lọc trung bình động để theo dõi luồng thời gian của các giá trị khoảng cách, thực hiện tạm dừng đầu ra hoặc tự động hiệu chỉnh khi tính liên tục giảm.

4. Xác minh chất lượng đầu ra khoảng cách

Ngay cả khi tính toán khoảng cách hoàn tất, ORBRO chỉ xuất ra các kết quả vượt qua các tiêu chuẩn chất lượng riêng biệt. Các mục đánh giá bao gồm điểm chất lượng tín hiệu, xu hướng trục thời gian, tính nhất quán với khung hình trước đó. Các kết quả không đạt tiêu chuẩn sẽ được xử lý ngoại lệ trong hệ thống để duy trì độ tin cậy.

So sánh ORBRO TWR và phương pháp TWR truyền thống

Mục

Phương pháp TWR truyền thống

Cấu trúc ORBRO TWR

Cách xử lý tiếp nhận tín hiệu

Sử dụng trực tiếp tín hiệu nhận được để tính khoảng cách, không có chức năng loại bỏ nhiễu

Phân tích chất lượng dựa trên SNR, RSSI, độ trễ phản xạ, tự động lọc tín hiệu không ổn định

Hiệu chỉnh NLOS và phản xạ

Giá trị khoảng cách bao gồm cả đường phản xạ cũng được xuất ra, khả năng cao bao gồm khoảng cách bị biến dạng

Phân tích mô hình hội tụ khoảng cách và dựa trên phép đo lặp lại, tự động loại trừ hoặc điều chỉnh giá trị bất thường

Xử lý tính liên tục theo thời gian

Tính khoảng cách dựa trên giá trị đo đơn lẻ, xảy ra hiện tượng không liên tục và nhảy vọt giữa các khung hình

Sử dụng bộ lọc Kalman, bộ lọc hạt để duy trì tính liên tục của luồng khoảng cách trên trục thời gian

Cấu trúc xác minh giá trị đầu ra

Xuất trực tiếp giá trị khoảng cách, không có cấu trúc xác minh độ tin cậy hay xử lý ngoại lệ

Xác minh chất lượng tín hiệu, xu hướng trục thời gian trước khi xuất, tạm dừng hoặc xử lý ngoại lệ nếu không đạt tiêu chuẩn

Mức độ kiểm soát luồng tính toán

Không thể kiểm soát chất lượng từng bước

Kiểm soát tích hợp toàn bộ quá trình tính toán từ nhận tín hiệu đến tính khoảng cách và xác minh chất lượng

Luồng tính toán 6 bước tạo ra khoảng cách chính xác: Từ tín hiệu đến tọa độ, cách thức hoạt động của ORBRO TWR

Hệ thống TWR của ORBRO được thiết kế với cấu trúc xử lý tín hiệu đa giai đoạn nhằm đảm bảo độ tin cậy và chất lượng tính toán. Mỗi giai đoạn định lượng chất lượng tín hiệu nhận được và được cấu hình để kiểm soát ổn định toàn bộ luồng cho đến khi xuất ra giá trị khoảng cách.

Bước 1. Gửi tin nhắn Poll và thu thập tín hiệu nhận

Quá trình tính toán TWR bắt đầu bằng việc gửi tín hiệu Poll. Bộ phát gửi tín hiệu Poll dựa trên UWB, bộ thu phát hiện tín hiệu này và thu thập siêu dữ liệu chất lượng như SNR, RSSI, độ trễ phản xạ. ORBRO áp dụng mạch thu độ nhạy cao và thuật toán lọc chuyên dụng để loại bỏ các mẫu không ổn định trước khi tính toán.

Bước 2. Gửi tin nhắn Response và thu thập RTT

Sau khi nhận Poll, bộ thu gửi tin nhắn Response theo độ trễ đã định. Bộ phát ghi lại tổng thời gian khứ hồi (RTT) sau khi nhận Response này. ORBRO sử dụng xung nhịp nội bộ độ chính xác cao để đo thời gian, xem xét sai số của độ trễ tính toán và truyền nhận để sắp xếp thời gian tín hiệu.

Bước 3. Tính toán khoảng cách và tinh lọc dựa trên chất lượng

Tính toán thời gian truyền dẫn thuần túy (TOF) sau khi trừ đi độ trễ phản hồi cố định từ RTT. Giá trị TOF này được dùng để tính khoảng cách bằng cách nhân với tốc độ ánh sáng. ORBRO thực hiện lọc dựa trên chất lượng tín hiệu một lần nữa cho giá trị này. Các kết quả chất lượng thấp sẽ bị loại bỏ hoặc tạm dừng.

Bước 4. Đánh giá tính liên tục của trục thời gian và ổn định khoảng cách

Phép tính TWR là bài toán tối ưu hóa phi tuyến, có nguy cơ hội tụ tại cực tiểu cục bộ hoặc phân kỳ nếu giá trị ban đầu không chính xác. ORBRO giới hạn không gian giải pháp bằng cách xác định phạm vi trục Z (độ cao) và sử dụng thông tin hình học giữa bộ thu và tag để đảm bảo tính ổn định.

Bước 5. Xác minh chất lượng tính toán và chuyển đổi tọa độ

Sau khi tính toán hoàn tất, ORBRO xác minh xem giá trị khoảng cách đó có đáp ứng điều kiện đầu ra cuối cùng hay không. Các tiêu chuẩn bao gồm chất lượng khoảng cách, tính khớp hình học tọa độ và xu hướng trục thời gian.

Bước 6. Đầu ra khoảng cách hoặc vị trí cuối cùng

Chỉ những giá trị khoảng cách hoặc tọa độ đáp ứng tất cả các tiêu chí xác minh mới được chọn để xuất ra cuối cùng. Trong hệ thống RTLS thời gian thực, dữ liệu này được chuyển đến UI hoặc nền tảng bên ngoài, kèm theo điểm chất lượng và cờ lỗi.

Độ tin cậy được chứng minh bằng con số: So sánh hiệu suất định lượng của ORBRO TWR

Hiệu suất trong môi trường vận hành thực tế cuối cùng được đánh giá bằng con số. Công nghệ TWR dựa trên UWB dù có độ chính xác cao về mặt lý thuyết nhưng dễ bị biến dạng do phản xạ và NLOS. ORBRO đã vượt qua các giới hạn này bằng cách thiết kế lại toàn bộ quy trình tính toán khoảng cách. Chương này sẽ xác nhận độ chính xác và ổn định của hệ thống ORBRO TWR thông qua các chỉ số định lượng.

1. Sai số khoảng cách trung bình (cm)

Sai số khoảng cách trung bình là sự khác biệt giữa khoảng cách vật lý thực tế và giá trị đo được. ORBRO TWR áp dụng lọc SNR để ngăn chặn sự biến dạng giá trị trung tâm, giảm sai số xuống mức 20cm, cải thiện khoảng 60% so với phương pháp truyền thống.

2. Độ ổn định đầu ra khoảng cách (%)

Độ ổn định đầu ra là tỷ lệ các giá trị khoảng cách liên tiếp được duy trì trong độ lệch tiêu chuẩn (±10%). ORBRO duy trì giá trị khoảng cách ổn định trong hơn 96% toàn bộ khung hình nhờ thuật toán hiệu chỉnh tính liên tục.

3. Tỷ lệ biến dạng khoảng cách trong điều kiện NLOS (%)

Trong môi trường NLOS, khoảng cách thường bị đo dài hơn thực tế. ORBRO đã hạn chế tỷ lệ biến dạng này xuống dưới 4% nhờ thuật toán tự động loại trừ khoảng cách phản xạ, cải thiện gấp 4.5 lần so với hệ thống cũ.

4. Tỷ lệ xảy ra hiện tượng không liên tục (추적) (%)

Việc giá trị khoảng cách thay đổi đột ngột làm giảm độ tin cậy của việc ước tính tọa độ. ORBRO đã giảm tỷ lệ không liên tục xuống mức 2% thông qua các thuật toán lọc Kalman và trung bình động.

5. Tỷ lệ ức chế nhiễu khoảng cách (%)

Tỷ lệ ức chế nhiễu là tỷ lệ các mẫu không đạt tiêu chuẩn chất lượng bị loại bỏ. ORBRO đảm bảo trung bình hơn 93% mẫu khoảng cách có hiệu lực, nâng cao độ tin cậy tính toán tổng thể.

Giảm bớt sự không chắc chắn trong đo lường khoảng cách, hoàn thiện độ tin cậy của việc theo dõi vị trí.

TWR có cấu trúc đơn giản nhưng gặp hạn chế trong môi trường trong nhà do nhiễu và phản xạ. ORBRO đã giải quyết vấn đề này bằng cách cấu trúc hóa việc tính toán khoảng cách thành một 'luồng tính toán có thể kiểm soát chất lượng'. Không có tính toán khoảng cách chính xác thì không có theo dõi vị trí đáng tin cậy. ORBRO hoàn thiện độ chính xác và tính nhất quán của RTLS bằng cách thiết kế hệ thống ngay từ từng giá trị khoảng cách.

Thế mạnh chính của giải pháp

Đạt được độ chính xác cao với sai số trung bình dưới 8cm
Đảm bảo độ chính xác khoảng cách được cải thiện khoảng 5 lần so với TWR truyền thống thông qua tinh lọc tín hiệu và hiệu chỉnh dựa trên chất lượng.
Đáp ứng cấu trúc đối với nhiễu tần số cao và tín hiệu phản xạ
Lọc các tính toán dựa trên tiêu chuẩn chất lượng (SNR, RSSI, v.v.) và tự động loại trừ tín hiệu phản xạ dựa trên phân tích mô hình hội tụ.
Áp dụng thuật toán ổn định khoảng cách dựa trên trục thời gian
Duy trì tính nhất quán của đầu ra vị trí bằng cách phát hiện và hiệu chỉnh sự thay đổi đột ngột của giá trị khoảng cách thông qua bộ lọc Kalman.
Cấu trúc đầu ra khoảng cách dựa trên xác minh chất lượng
Đánh giá tổng hợp chỉ số chất lượng, tính khớp hình học, tính liên tục thời gian để chỉ chọn các mục tiêu tọa độ hóa cho đầu ra cuối cùng.

Giải pháp ORBRO thực hiện bằng TWR

Kết nối dữ liệu khoảng cách và vị trí của tài sản, nhân lực với RTLS dựa trên TWR và kiểm tra các giải pháp tiêu biểu.

Giải pháp xây dựng

Theo dõi vị trí công nhân theo thời gian thực để ngăn ngừa tai nạn

Tự động nhận diện vị trí hiện tại của công nhân và gửi cảnh báo ngay lập tức khi họ đi vào khu vực nguy hiểm.

Tìm hiểu thêm

Giải pháp sản xuất

Tối ưu hóa luồng công việc với vị trí thời gian thực của tài sản trong quy trình

Theo dõi sự di chuyển của công nhân và tài sản qua từng công đoạn để xác định sớm các điểm nghẽn.

Tìm hiểu thêm

Giải pháp sản xuất

Hệ thống theo dõi xe nâng không mất tín hiệu ngay cả trong nhà máy điện hạt nhân

Hệ thống theo dõi vị trí hoạt động ổn định ngay cả trong các cấu trúc kín bằng thép với trần nhà cao.

Tìm hiểu thêm

Giải pháp Logistics

Tối ưu hóa vận hành dock bằng cách tự động theo dõi vị trí xe container

Nắm bắt vị trí xe và trạng thái dock theo thời gian thực để duy trì luồng vận hành không gián đoạn tại trung tâm logistics.

Tìm hiểu thêm

Yêu cầu tư vấn triển khai

Triển khai giải pháp định vị vị trí cùng chuyên gia

Cung cấp công nghệ và kinh nghiệm đẳng cấp thế giới.