Что относится к системам позиционирования
Технологии локального позиционирования. Часть I
Использование RTLS (Real Time Location System, систем определения местоположения в режиме реального времени) зависит от поставленных задач и целей. Для того, чтобы правильно выбрать необходимую вам систему, необходимо понимать на основе какой из многочисленных технологий она работает.
Компания RTL-Service занимается разработкой таких решений, поэтому мы регулярно участвуем во всевозможных выставках, анализируем рынок различных систем локального позиционирования и проводим необходимые исследования. В процессе работы мы столкнулись с проблемой отсутствия более-менее полной классификации технологий локального позиционирования, в связи с чем нами была произведена попытка её создания.
1) UWB – это все радиочастотные технологии, у которых радиочастотный канал превышает либо 500МГц, либо он содержит 20% от величины центральной частоты модуляции. Базирующиеся на этой технологии RTLS системы характеризуется высокой точностью определения местоположения. Главное преимущество описываемой технологии – способность сохранять эффективность в помещениях со сложной геометрией и большим количеством помех.
2) Wi-Fi – это технология передачи данных среднего радиуса действия, обычно покрывающая десятки метров, которая использует нелицензируемые диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Поскольку Wi-Fi изначально не предназначалась для использования в качестве технологии локального позиционирования, стандартная сеть предоставляет информацию с точностью лишь до точки доступа, поэтому для повышения точности определения местоположения используется RSSi или при некоторых доработках другие специализированные методы (например, TDoA).
3) WiMax – беспроводные сети масштаба города (реализация технологии «последней мили»). Это технология работающая в 2-х диапазонах частот (2-11 ГГц — для соединения базовой станции с абонентской, 10-66 ГГц — между базовыми станциями для передачи на данных на большие расстояния в пределах прямой видимости).
Эта технология изначально не приспособлена для определения местоположения (как и Wi-Fi).
4) MiWi – это беспроводной протокол, разработанный компанией Microchip, предназначенный для построения дешевых радиосетей с передачей данных на небольшие расстояния. Фактически является упрощённым аналогом ZigBee.
5) ZigBee – стандарт для набора высокоуровневых протоколов связи, использующих небольшие, маломощные цифровые трансиверы, основанный на стандарте IEEE 802.15.4 для беспроводных персональных сетей. ZigBee предназначен для радиочастотных устройств, требующие гарантированной безопасной передачи данных при относительно небольших скоростях и возможности длительной работы сетевых устройств от автономных источников питания (батарей).
6) NFER (Near-field electromagnetic ranging) – относительно новая технология позиционирования, которая использует метки-передатчики и одно или несколько принимающих устройств. Технология основана на том, что сдвиг фаз между электрической и магнитной составляющей электромагнитного поля изменяется по мере удаления от излучающей антенны.
Вблизи небольшой (относительно длины волны) антенны электрическая и магнитная составляющие поля радиоволны сдвинуты по фазе на 90 градусов. При увеличении расстояния от антенны эта разница уменьшается. При достаточном удалении от антенны сдвиг фаз сходит к нулю.
Оптимальная для измерения расстояния дистанция между приемником и передатчиком лежит в пределах половины длины волны. Соответственно, чтобы обеспечить достаточно большую дистанцию передатчики метки должны использовать относительно низкие частоты. Обычно от 1 МГц (длина волны 300 м, оптимальная дистанция до 150 м) до 10 МГц (длина волны 30 м, оптимальная дистанция до 15 м). В зависимости от выбора частоты, NFER имеет потенциал для достижения точности до 30 см на расстоянии до 300 метров.
8) DECT – технология беспроводной связи на частотах 1880—1900 МГц с модуляцией GMSK (BT = 0,5), используется в современных радиотелефонах. Данная технология позволяет определять местоположение объекта с точностью до определённой базовой станции без использования специализированного программного обеспечения, а также с точностью 5-10 метров на открытом пространстве или в пределах помещений, находящихся в зоне обслуживания системы со специализированным ПО. Как и для большинства технологий, точность значительно снижается при работе в сооружениях, материалы конструкций которых имеют разнородную структуру.
9) Позиционирование в сотовых сетях – определение местоположения объекта на основе метода Cell Of Origin – по координатам соты, к которой подключен абонент. Точность позиционирования определяется радиусом соты. Для так называемых «пикосот» она составляет 100-150 метров, то в большинстве случаев это километр и более. Для повышения точности до десятков метров необходимо использовать методы EoTD/OTDoA.
10) Bluetooth – спецификация беспроводных персональных сетей (Wireless personal area network, WPAN), ближнего радиуса действия, работающая в частотном диапазоне 2,4-2,4835 ГГц. В Bluetooth несущая частота сигнала меняется 1600 раз в секунду псевдослучайным образом, это позволяет избежать проблем при функционировании группы устройств в непосредственной близости, а так же повысить безопасность передачи данных.
Ниже представлена сводная таблица по радиочастотным технологиям. 
Автор: Алевтина Осколкова
В следующей статье мы рассмотрим другие технологии локального позиционирования.
Системы позиционирования и мониторинга Positioning and monitoring systems
Позиционирование, отслеживание, мониторинг, трекинг – названия процесса определения местоположения мобильных объектов, который производится специально разработанными автоматизированными системами (АС). В целях более точного указания функций подобных АС часто применяется сочетание таких названий. Например, система позиционирования и мониторинга – СПМ. Ниже сделана попытка классифицировать системы, способные определять местоположение мобильных объектов, а также коротко описать технологии и методы, используемые в системах, не применяющих для позиционирования навигационные спутники и сети мобильной связи.
Positioning, tracking,monitoring – all these words can be used to define a process of mobile objects positioning. Position can be determined by means of specially developed Automatic Systems (AS). A simultaneous combination of the above mentioned terms is commonly used in order to describe more precisely the A. Systems functions. For example, Real Times Location Systems (RTLS). The following article attempts to classify the systems used to determine the mobile objects positioning. In addition it briefly describes technologies and procedures that do not use navigating satellites or mobile networks for this purpose.
Задачи определения положения мобильных объектов
По своей сути, процесс определения местоположения подвижных объектов представляет собой автоматическое, иногда автоматизированное решение следующих задач:
Среди задач, решаемых при позиционировании и мониторинге мобильных объектов, есть две определяющие, требующие наличия в автоматизированной системе радиосредств передачи данных или как минимум радиопередающего устройства на одной стороне и радиоприемного – на другой. К этим задачам, присущим всем СМП, относится определение координат мобильных объектов и обмен сообщениями между инфраструктурой и мобильными объектами.
Соответственно, когда конкретную СПМ относят к той или иной технологии, обязательно следует уточнить, какой процесс имеется в виду.
Классификация систем позиционирования и мониторинга
Системы, способные определять местоположение мобильных объектов и осуществлять их мониторинг работают в реальном масштабе времени, поэтому в литературе их называют RTLS (Real Time Location Systems – системы локального позиционирования в реальном масштабе времени). Классификацию таких СПМ – RTLS систем осуществляют на основании многочисленных параметров и признаков. Такими признаками являются:
Классификация СПМ по назначению
В зависимости от направленности решаемых задач можно выделить:
При этом существует значительная часть признаков, которые позволяют относить систему более чем к одной группе. Например, широко используемые системы глобального позиционирования GPS и ГЛОНАСС можно отнести как к системам общего назначения, так и к специальным. А некоторые системы общего назначения по своим задачам и используемым технологиям можно классифицировать как производственные.
Говоря о возможности СПМ решать свои задачи в зависимости от условий размещения мобильных объектов, целесообразно выделить:
Классификация СПМ по масштабам зон обслуживания
В зависимости от масштабов зон обслуживания систем, СПМ определяются как:
Такое деление определяет максимально возможные масштабы зоны обслуживания, но не ограничивает масштабирование системы «вниз».
Глобальные системы позиционирования предназначены для определения местоположения мобильных объектов на всей поверхности Земли. Они используют сигналы навигационных спутников, требуют наличия радиовидимости между спутниками и устройствами, осуществляющими навигацию, поэтому могут функционировать только на открытом пространстве.
При определенных условиях задачи глобального позиционирования также способны решать сети мобильной связи.
Региональные СПМ способны решать задачи позиционирования и мониторинга мобильных объектов в границах региона – мегаполиса, области, республики, небольшого по территории государства или территории площадью до 300 тыс. кв. км с помощью:
Многие технологии и решения, примененные впервые в РЛС, впоследствии нашли свое применение в системах позиционирования и мониторинга. Например, использование радиосигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), ранее применявших только в военных РЛС, в современных СПМ обеспечивает:
Зональные СПМ предназначены для контроля и мониторинга местоположения мобильного объекта в границах некой зоны – территории, площадь которой лежит в пределах от нескольких гектаров (предприятие, небольшой населенный пункт) до нескольких десятков квадратных километров (промышленная зона, аэропорт, город и др.).
Позиционирование и мониторинг подвижных объектов в зональных системах может производиться с использованием:
Визуализация трассы движения автомобиля на перроне аэропорта при мониторинге показана на рис. 1.
Локальные системы мониторинга предназначены для определения местоположения мобильных объектов на ограниченных открытых территориях, в помещениях зданий и в закрытых пространствах.
Главной особенностью таких систем является возможность обеспечения позиционирования и мониторинга людей, техники, иных физических объектов, перемещающихся в пределах:
Иначе говоря, везде, где использование для определения координат мобильного объекта применение GPS/ГЛО-НАСС-приемников невозможно.
Позиционирование персонала в сети nanoLOC на производстве показано на рис. 2.
Частным видом локальных систем можно считать СПМ, использующие для измерений ультразвуковой, инфракрасный или оптический диапазоны. Такие системы являются узкоспециализированными, наряду с высокой точностью они имеют ряд недостатков, значительно ограничивающих их применение. Поэтому далее в настоящей публикации упоминаться не будут.
Средствами, способными обеспечить решение задач локального позиционирования и мониторинга, могут быть:
Представление мест нахождения персонала в офисе при мониторинге с помощью радиосети Wi-Fi (IEEE 802.11a/g/n) может иметь вид, приведенный на рис. 3.
Таким образом, в любой системе позиционирования определение координат мобильного объекта производится с помощью заранее развернутой инфраструктуры – сети средств измерений автоматизированной системы, координаты которых заведомо известны.
Следует понимать, что глобальные, региональные и зональные системы в чистом виде разработаны и применяются, как правило, для решения специализированных задач. В то же время многие СПМ общего назначения, использующие две и более технологии, могут относиться к системам разного масштаба (уровня).
Классификация по технологиям позиционирования
Определение координат объектов в любых системах позиционирования и мониторинга может выполняться с использованием одной из двух технологий:
Единственными стандартами из перечисленных, изначально разработанными для измерения расстояний по радиоканалу, являются стандарты IEEE 802.15.4a CSS (nanoLOC) & UWB. Таким образом, СПМ, построенные на базе этих стандартов, в равных условиях (одинаковые производственные площади, здания, помеховая обстановка) обладают лучшими характеристиками, по сравнению с решениями, использующими другие стандарты.
Обмен сообщениями с координатной и служебной информацией между инфраструктурой СПМ и мобильными объектами в региональных, зональных, а иногда и локальных системах производится:
Методы определения местоположения
Говоря о технологиях собственно позиционирования, целесообразно назвать основные методы, использующиеся при определении местоположения и измерении координат мобильных объектов в радиосетях.
При описании RSS применительно к Wi-Fi некоторые авторы указывают, что расстояние до абонента по RSS определяется точкой доступа. Однако в стандарте IEEE 802.11/a/b/g/n оценку уровня сигнала от точки доступа и сравнение отношения сигнал/шум от разных точек доступа производит абонентское устройство. Это связано с тем, что решение о переключении (переходе) с одной точки доступа на другую на основании RSS и SNR (Signal to Noise Ratio) также принимает абонент.
В наше время достаточно широко встречаются СПМ, в которых, по сути, происходит конвергенция технологий позиционирования. Таким примером являются СЦПТР стандартов TETRA, DMR (Digital Mobile Radio), APCO25, в которых, кроме голосовой связи, возможны обмен данными и позиционирование. Для решения задач позиционирования и мониторинга абонентов базовые станции СЦПТР, обеспечивающих одну общую зону обслуживания, объединяются каналами связи. На пунктах управления системами устанавливается специальное ПО, способное определить местоположение терминала с точностью до одной базовой станции. Для повышения точности позиционирования абонента используются GPS или ГЛОНАСС. При необходимости отслеживать абонента в помещениях и сооружениях в терминал устанавливается модуль, способный «видеть» абонента в закрытых пространствах в пределах заранее развернутой для такого позиционирования инфраструктуры (сети Wi-Fi, RealTrac, автономные «маяки» и др.). На открытом пространстве определение координат терминала происходит по GPS или ГЛОНАСС. При входе абонента в закрытое пространство и его перемещениях мониторинг осуществляется через систему локального позиционирования, а передача данных о местоположении может производиться как по каналу данных УКВ-системы, так и через систему, производящую мониторинг.
Большинство таких СПМ является системами специального назначения, используемыми спецслужбами, силовыми структурами, а также крупными федеральными ведомствами в топливно-энергетической и транспортной отраслях.
Задачи обмена информацией между мобильными объектами и инфраструктурой СПМ, как уже отмечено выше, решаются либо с применением беспроводных систем передачи данных, использующихся для собственно позиционирования, либо с применением сетей связи общего пользования. Особенности таких сетей и систем и требования к ним достаточно подробно изложены во многих публикациях.
Классификация по способу использования координатной информации
Важным свойством любой системы позиционирования и мониторинга является способ использования координатной информации. К таким способам относятся:
В централизованной системе координатная информация, независимо от того получена она от средств-датчиков, находящихся на мобильном объекте или от внешних источников координатной информации, используется для обработки, построения, при необходимости маршрутов движения объекта и выдачи ее на отображение (визуализации).
Большинство систем позиционирования и мониторинга, в том числе локальных, представляет собой именно такие системы.
Необходимо отметить, что с целью обеспечения максимальной эффективности работы операторов этих систем, формы представления информации (информационные модели) даже в одной системе могут быть различны. Примеры различной визуализация объектов в локальной СПМ RealTrac приведены на рис. 4 и 5.
Свойства технологий
Выбор технологии для определения координат мобильных объектов зависит от постав л енной задачи – от того, какие свойства в конкретном случае требуются. Так, при выборе системы для решения задач локального позиционирования и мониторинга целесообразно учитывать следующее:
Заключение
В настоящее время существует большое количество технологий, позволяющих решать задачи позиционирования и мониторинга мобильных объектов. Эти технологии базируются на разных методах, обеспечивающих различные возможности:
Поэтому при принятии решения о строительстве системы позиционирования и мониторинга необходимо внимательно изучить особенности и оценить возможности каждой технологии применительно к существующим и перспективным задачам.
Литература
Система позиционирования
СОДЕРЖАНИЕ
Покрытие [ править ]
Межпланетные системы [ править ]
Глобальные системы [ править ]
Глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS) позволяют специализированным радиоприемникам определять свое трехмерное положение в пространстве, а также время с точностью до 2–20 метров или десятков наносекунд. В настоящее время развернутые системы используют микроволновые сигналы, которые можно надежно принимать только вне помещений и которые покрывают большую часть поверхности Земли, а также околоземное пространство.
Существующие и планируемые системы:
Региональные системы [ править ]
Локальные системы [ редактировать ]
Примеры существующих систем включают
Внутренние системы [ править ]
Системы позиционирования внутри помещений оптимизированы для использования в отдельных комнатах, зданиях или строительных площадках. Обычно они имеют сантиметровую точность. Некоторые предоставляют 6-мерную информацию о местоположении и ориентации.
Примеры существующих систем включают
Системы рабочих мест [ править ]
Примеры: Wii Remote с сенсорной планкой, Polhemus Tracker, решения для точного отслеживания движения InterSense. [6]
Высокая производительность [ править ]
Технологии [ править ]
Существует множество технологий для определения положения и ориентации объекта или человека в комнате, здании или в мире.
Акустическое позиционирование [ править ]
Время полета [ править ]
Оптические трекеры, такие как лазерные дальномеры, страдают от проблем с прямой видимостью, а на их работу отрицательно влияет окружающий свет и инфракрасное излучение. С другой стороны, они не страдают от эффектов искажения в присутствии металлов и могут иметь высокую частоту обновления из-за скорости света. [7]
Ультразвуковые трекеры имеют более ограниченный диапазон из-за потери энергии с пройденным расстоянием. Также они чувствительны к окружающему ультразвуковому шуму и имеют низкую частоту обновления. Но главное преимущество в том, что им не нужна прямая видимость.
Пространственное сканирование [ править ]
Система пространственного сканирования использует (оптические) маяки и датчики. Можно выделить две категории:
Направив датчик на маяк, можно измерить угол между ними. С помощью триангуляции можно определить положение объекта.
Инерционное зондирование [ править ]
Механическая связь [ править ]
Разница фаз [ править ]
Разность фаз системы измеряют сдвиг фазы входящего сигнала от излучателя на движущейся мишени по сравнению с фазой входящего сигнала от эталонного излучателя. С его помощью можно рассчитать относительное движение излучателя относительно приемника. Подобно инерционным чувствительным системам, системы разности фаз могут страдать от накопленных ошибок и, следовательно, подвержены дрейфу, но поскольку фаза может измеряться непрерывно, они могут генерировать высокие скорости передачи данных. Омега (система навигации) является примером.
Прямое зондирование поля [ править ]
Оптические системы [ править ]
Магнитное позиционирование [ править ]
Самые последние приложения могут использовать данные магнитного датчика со смартфона для беспроводного определения местоположения объектов или людей внутри здания. [14]
Гибридные системы [ редактировать ]
Поскольку у каждой технологии есть свои плюсы и минусы, в большинстве систем используется более одной технологии. Система, основанная на относительных изменениях положения, такая как инерциальная система, требует периодической калибровки по сравнению с системой с абсолютным измерением положения. Системы, сочетающие две или более технологий, называются гибридными системами позиционирования. [16]
Эти системы специально разработаны для преодоления ограничений GPS, который очень точен на открытых площадках, но плохо работает в помещении или между высокими зданиями ( эффект городского каньона ). Для сравнения, сигналам вышек сотовой связи не мешают здания или плохая погода, но они обычно обеспечивают менее точное позиционирование. Системы определения местоположения Wi-Fi могут давать очень точное определение местоположения в городских районах с высокой плотностью Wi-Fi и зависят от полной базы данных точек доступа Wi-Fi.
Ранние работы в этой области включают проект Place Lab, который начался в 2003 году и перестал действовать в 2006 году. Более поздние методы позволяют смартфонам сочетать точность GPS с низким энергопотреблением при поиске точки перехода по идентификатору соты. [18]
Содержание
Задний план
Вообще говоря, определение местоположения рассчитывается с учетом измерений (называемых наблюдениями) расстояний или углов до опорных точек, положение которых известно. В двухмерных съемках наблюдений за тремя опорными точками достаточно, чтобы вычислить положение в двухмерной плоскости. На практике наблюдения подвержены ошибкам, возникающим из-за различных физических и атмосферных факторов, которые влияют на измерение расстояний и углов.
Покрытие
Межпланетные системы
Глобальные системы
Глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS) позволяют специализированным радиоприемникам определять свое трехмерное положение в пространстве, а также время с точностью до 2–20 метров или десятков наносекунд. В настоящее время развернутые системы используют микроволновые сигналы, которые можно надежно принимать только вне помещений и которые покрывают большую часть поверхности Земли, а также околоземное пространство.
Существующие и планируемые системы:
Региональные системы
Локальные системы
Примеры существующих систем включают
Внутренние системы
Системы позиционирования внутри помещений оптимизированы для использования в отдельных комнатах, зданиях или строительных площадках. Обычно они имеют сантиметровую точность. Некоторые предоставляют 6-мерную информацию о местоположении и ориентации.
Примеры существующих систем включают
Системы рабочего пространства
Примеры: Wii Remote с сенсорной планкой, Polhemus Tracker, решения для точного отслеживания движения InterSense.
Технологии
Существует множество технологий для определения положения и ориентации объекта или человека в комнате, здании или в мире.
Время полета
Оптические трекеры, такие как лазерные дальномеры, страдают от проблем с прямой видимостью, а на их работу отрицательно влияет окружающий свет и инфракрасное излучение. С другой стороны, они не подвержены эффектам искажения в присутствии металлов и могут иметь высокую частоту обновления из-за скорости света.
Ультразвуковые трекеры имеют более ограниченный диапазон из-за потери энергии с пройденным расстоянием. Также они чувствительны к окружающему ультразвуковому шуму и имеют низкую частоту обновления. Но главное преимущество в том, что им не нужна прямая видимость.
Пространственное сканирование
Система пространственного сканирования использует (оптические) маяки и датчики. Можно выделить две категории:
Направив датчик на маяк, можно измерить угол между ними. С помощью триангуляции можно определить положение объекта.
Инерционное зондирование
Механическая связь
Разность фаз
Разность фаз системы измеряют сдвиг фазы входящего сигнала от излучателя на движущейся мишени по сравнению с фазой входящего сигнала от эталонного излучателя. Таким образом можно рассчитать относительное движение излучателя относительно приемника. Подобно инерционным чувствительным системам, системы разности фаз могут страдать от накопленных ошибок и, следовательно, подвержены дрейфу, но поскольку фаза может измеряться непрерывно, они могут генерировать высокие скорости передачи данных. Омега (система навигации) является примером.
Прямое зондирование поля
Оптические системы
Гибридные системы
Поскольку у каждой технологии есть свои плюсы и минусы, в большинстве систем используется более одной технологии. Система, основанная на изменении относительного положения, такая как инерциальная система, требует периодической калибровки по сравнению с системой с абсолютным измерением положения. Системы, сочетающие две или более технологий, называются гибридными системами позиционирования.
Эти системы специально разработаны для преодоления ограничений GPS, который очень точен на открытых площадках, но плохо работает в помещении или между высокими зданиями ( эффект городского каньона ). Для сравнения, сигналам вышек сотовой связи не мешают здания или плохая погода, но они обычно обеспечивают менее точное позиционирование. Системы позиционирования Wi-Fi могут обеспечивать очень точное позиционирование в городских районах с высокой плотностью Wi-Fi и зависят от полной базы данных точек доступа Wi-Fi.
Ранние работы в этой области включают проект Place Lab, который начался в 2003 году и перестал действовать в 2006 году. Более поздние методы позволяют смартфонам сочетать точность GPS с низким энергопотреблением при поиске точки перехода по идентификатору соты.