Что относится к технологиям 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.
Технология глобальной спутниковой навигации: какие бывают системы, параметры и функции
В этой статье мы расскажем про глобальные системы позиционирования, разработанные в США, России, ЕС и Китае; объясним, как поддержка технологий глобальной спутниковой навигации реализована в электронных устройствах, а также опишем ключевые и дополнительные функции современных навигационных приемников.
Система GPS (Global Positioning System) создавалась для применения в военных целях. Она начала работать в конце 80-х — начале 90-х годов, однако до 2000 года искусственные ограничения на определение местоположения существенно сдерживали ее возможности использования в гражданских целях.
Орбиты спутников системы GPS. Пример видимости спутников из одной из точек на поверхности Земли. Visible sat — это число спутников, видимых над горизонтом наблюдателя в идеальных условиях (чистое поле).
ГЛОНАСС
Российский аналог GPS — ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система) — была развёрнута в 1995 году, но в связи с недостаточным финансированием и малым сроком службы спутников она не получила широкого распространения. Вторым рождением системы можно считать 2001 год, когда была принята целевая программа ее развития, благодаря которой ГЛОНАСС возобновил полноценную работу в 2010 году.
Сегодня на орбите работают 24 спутника ГЛОНАСС, они охватывают навигационным сигналом весь земной шар.
Новейшие потребительские устройства используют GPS и ГЛОНАСС как взаимодополняющие системы, подключаясь к ближайшим найденным спутникам, это значительно увеличивает скорость и точность их работы.
Пример: aвтомобильное GPS/ГЛОНАСС-навигационно-связное устройство на базе ОС Android, разработанное командой Promwad по заказу российского конструкторского бюро. Реализована поддержка GSM/GPRS/3G. Устройство автоматически обновляет информацию о дорожной обстановке в режиме реального времени и предлагает водителю оптимальный маршрут с учётом загруженности дорог.
Сейчас на стадии разработки находятся еще две спутниковые системы: европейская Galileo и китайская Compass.
Galileo
Галилео — совместный проект Европейского союза и Европейского космического агентства, анонсированный в 2002 году. Изначально рассчитывали, что уже в 2010 году в рамках этой системы на средней околоземной орбите будут работать 30 спутников. Но этот план не был реализован. Сейчас предположительной датой начала эксплуатации Galileo считается 2014 год. Однако ожидается, что полнофункциональное использование системы начнется не ранее 2020 года.
Compass
Это следующая ступень развития китайской региональной навигационной системы Beidou, которая была введена в эксплуатацию после запуска 10 спутников в конце 2011 года. Сейчас она обеспечивает покрытие в границах Азии и Тихоокеанского региона, но, как ожидается, к 2020 году система станет глобальной.
Сравнение орбит спутниковых навигационных систем GPS, ГЛОНАСС, Galileo и Compass (средняя околоземная орбита — MEO) с орбитами Международной космической станции (МКС), телескопа Хаббл и серии спутников Иридиум (Iridium) на низкой орбите, а также геостационарной орбиты и номинального размера Земли.
Поддержка ГНСС
Ключевые параметры навигационных приемников
Производители приемников используют различные методы уменьшения TTFF, включая скачивание и сохранения альманаха и эфемерид по беспроводным сетям передачи данных (т.н. метод Assisted GPS или A-GPS), это быстрее чем извлечение этих данных из сигналов ГНСС.
Холодный старт описывает ситуацию, когда приемнику нужно получение всей информации для определения места. Это может занять до 12 минут.
Теплый старт описывает ситуацию, когда у приемника есть почти вся необходимая информация в памяти, и он определит место в течении минуты.
Одним из ключевых параметров навигационных модулей в мобильных устройствах является энергопотребление. В зависимости от режима работы модуль потребляет различное количество энергии. Фаза поиска спутников (TTFF) характеризуется большим, а слежение меньшим энергопотреблением. Также производители реализуют различные схемы уменьшения энергопотребления, например, путем периодического перевода модуля в режим сна.
Как правило, все модули выдают данные по текстовому протоколу NMEA-0183, но кроме указанного текстового протокола каждый производитель имеет свой собственный двоичный протокол (Binary), который позволяет изменять конфигурацию модуля под конкретное использование либо получать доступ к дополнительному функционалу, а также доступ к сырым измерениям. Двоичный протокол удобен для использования на микроконтроллерах, т.к. при этом нет необходимости выполнять преобразование из текста в двоичные данные, тем самым экономя программную память путем исключения библиотеки работы со строками и времени на преобразование.
Стандарт NMEA-2000 — это развитие протокола NMEA-0183. В качестве физического уровня в NMEA-2000 используется CAN-шина, которая была выбрана в виду большей защищенности по сравнению с RS-232. С точки зрения протокола передачи данныхNMEA-2000 существенно отличается от своего предшественника, т.к. использует двоичный протокол, базирующийся на стандарте SAE J1939.
Частота обновления данных о местоположении и скорости всех модулей составляет 1 Гц, но при необходимости ее можно поднять до 5 или 10 Гц.
В зависимости от области применения модуль можно сконфигурировать под определенные динамические характеристики, которые он должен отслеживать (например, максимальное ускорение объекта). Это позволяет использовать оптимальный алгоритм и улучшать качество измерений.
Для выполнения навигационной задачи модуль должен одновременно принимать сигналы от нескольких спутников, т.е. иметь несколько приемных каналов. На сегодняшний день это число лежит в диапазоне от 12 до 88.
Точность определения местоположения по GPS составляет в среднем 15 м, она обусловлена используемым неточным сигналом, влиянием атмосферы на распространение радиосигнала, качеством кварцевых генераторов в приемниках и пр. Но с помощью корректирующих методов возможно улучшить точность определения местоположения. Эта технология называется Differential GPS. Существует два метода коррекции: наземный и спутниковый DGPS.
В наземных методах коррекции наземные станции дифференциальных поправок постоянно сверяют свое заведомо известное местоположение и сигналы от навигационных спутников. На базе этой информации вычисляются корректирующие величины, которые могут быть переданы с помощью УКВ- или ДВ-передатчика на мобильные DGPS-приемники в формате RTCM. На основании полученной информации потребитель может корректировать процесс определения собственного местоположения. Точность этого метода составляет 1—3 метра и зависит от расстояния до передатчика корректирующей информации и качества сигнала.
Спутниковые методы, такие как система WAAS (Wide Area Augmentation System), доступная в Северной Америке, и система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System), доступная в Европе, шлют корректирующие данные с геостационарных спутников, таким образом достигается большая область приема, чем при наземных методах.
Спутниковые системы дифференциальной коррекции (SBAS — Space Based Augmentation Systems) позволяют улучшить точность, надежность и доступность навигационной системы за счет интеграции внешних данных в процессе расчета
Демонстрация принципа работы системы WAAS (Wide Area Augmentation System) на территории США
Одним из основных параметров, влияющих на точность определения местоположения и стабильность приема является чувствительность. Она, как правило, определяется качеством малошумящего усилителя на входе приемника и сложностью реализованных алгоритмов цифровой обработки. Типовые значения современных приемников лежат в диапазоне 143 дБм для поиска и 160 дБм для слежения.
Кроме определения местоположения ГНСС предоставляют информацию о точном времени. Как правило, все приемники имеют выход PPS (pulse per second, импульсов в секунду) — секундная метка (1 Гц), которая точно синхронизирована с временной шкалой UTC.
Дополнительные функции навигационных устройств
Счисление пути. На основе информации о направлении движения и пройденном пути (предоставляется дополнительными датчиками) приемник может рассчитывать свои координаты при отсутствии сигналов от спутников (например, в туннелях, на подземных стоянках и в плотной городской застройке).
Некоторые модули имеют возможность напрямую подключать флэш-память (например, по SPI) к модулю для записи трека c необходимой периодичностью. Эта функция позволяет отказаться от использования отдельного микроконтроллера, либо она может быть полезной для минимизации энергопотребления (т.е. система на кристалле может находиться в состоянии сна).
На этом поверхностный обзор технологий глобальной спутниковой навигации завершен. Спасибо за внимание. Примеры реализованных проектов на базе этих ГЛОНАСС и GPS можно посмотреть на странице разработок компании Promwad.
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