Локальное позиционирование
|
Наряду с широко известными спутниковыми системами глобального позиционирования существует также потребность в системах локального позиционирования, которые используются, во-первых, там, где не доступны сигналы спутников и, во-вторых, при решении задач, требующих определения только относительных расстояний.
Измерение расстояний беспроводным способом
Базовой операцией в системах локального позиционирования является измерение расстояния беспроводным способом.
Традиционно эту задачу выполняют радиолокационные системы, которые используются для радиообнаружения воздушных, морских и наземных объектов при помощи анализа характеристик отраженных от объекта радиоволн. При этом традиционные радары в основном используют пассивное отражение радиосигналов.
Современные беспроводные технологии предлагают решения, использующие специальные приемопередатчики-метки, располагаемые на объекте. Известны следующие методы измерения расстояния с использованием цифровых меток на объекте
- по уровню сигнала
- по уровню сигнала с уточнением по углу распространения сигнала
- по времени распространения сигнала
Измерения расстояния по уровню радиосигнала
Метод измерения расстояния по уровню радиосигнала является наиболее доступным, т.к. практически все беспроводные приемопередатчики измеряют уровень входного сигнала и возвращают параметр RSSI (Received Signal Strength Indicator). Но этот метод является и наименее точным (5- 10 м).
Такие системы, использующих измерение расстояния до объекта (proximity aware application) разработаны на базе инфраструктуры WI-FI-точек доступа и на базе BLE- маячков.
Спецификация Bluetooth 5.1 дала новый импульс развитию систем локального позиционирования, определив формат цифрового пакета, расширенного вставкой, содержащей аналоговую немодулированную несущую, по которой на приемной стороне, используя несколько антенн можно определить направление распространения сигнала. В настоящее время разработчики трудятся над созданием систем пространственно разнесенных антенн и программным обеспечением, позволяющим вычислять расстояние по сырым синфазным IQ-составляющим сигналов, полученных с таких разнесенных антенн. Использование данного метода позволит повысить точность позиционирования до 1 м. Первые приемопередатчики, реализующие спецификацию Bluetooth 5.1, уже разработаны. В качестве примера можно привести микроконтроллер EFR32BG22 компании Silicon Labs.
Измерения расстояния по времени распространения радиосигнала
Метод измерения расстояния по времени распространения радиосигнала позволяет одновременно снизить и время измерения и погрешность. При этом погрешность измерения снижается при увеличении ширины спектра сигнала. В настоящее время известно два типа широкополосных приемопередатчиков, предназначенных для измерения расстояния, которые описаны стандартом IEEE 802.15.4-2011. Это приемопередатчики, использующие кодирование CSS, работающие в диапазоне 2,4 ГГц и приемопередатчики диапазона UWB, использующие частоты 3,5-9,5 ГГц. Приемопередатчики диапазона UWB имеют самую широкую полосу - 500 или 1000 МГц и соответственно самую маленькую погрешность - 10 см. К сожалению, для приемопередатчиков UWB разрешены очень малые мощности передачи.
Технология CSS
Кодирование CSS реализовано в приемопередатчиках nanoLOC компании Nanotron. Оно базируется на внутриимпульсной линейно-частотной модуляции, которая, как известно, позволяет наиболее эффетивно использовать частотный спектр.
Приемники Nanotron, используя согласованный фильтр на входе, преобразуют ЛЧМ-импульсы в очень узкие по времени SYNC-импульсы и определяют время поступления входного сигнала с наносекундной точностью, что позволяет измерять расстояния с точностью до 30 см. На практике внутри помещений из-за многолучевого распространения сигналов погрешность увеличивается до 1-2 м.
Системы локального позиционирования компании Nanotron
Можно выделить два основные типа систем локального позиционирования. Системы с измерением относительных расстояний между узлами и системы определения абсолютных координат.
Система компании Nanotron для измерения относительных расстояний называется swarm, что означает рой. Ее можно построить на базе радиомодулей swarm bee LE. Она обеспечивает выполнение примерно 50 измерений точка-точка в секунду.
В системах определения абсолютных координат всегда присутствуют стационарные узлы - анкеры (Anchors) с известными координатами, которые являются референсными точками.
Система RTLS (Real Time Location System) локального позиционирования компании Nanotron использует наиболее экономичный метод вычисления абсолютных координат Time Difference of Arrival (TDoA), который заключается в следующем. Мобильная метка (Tag) с заданным интервалом времени излучает идентификационный сигнал-маячок, а синхронизированные анкеры фиксируют время поступления этого сигнала и отсылают измеренные значения на сервер. По этим данным на сервере при помощи системы уравнений оказывается возможным вычислить и время излучения сигнала маяка и координату мобильной метки.
Преимуществами метода TDOA являются
- малая загруженность метки и возможность для нее находиться большую часть времени в спящем режиме
- высокая скорость определений
- малая загрузка эфира
- большое количество одновременно обслуживаемых меток
Электронное оборудование Nanotron позволяет строить смешанные системы локального позиционирования, в которых наряду с абсолютными координатами могут также определяться и относительные расстояния. Для построения такой системы нужно использовать локализационный сервер и анкеры системы RTLS компании Nanotron, а метки строить на базе радиомодулей swarm bee LE.
