CC BY
374
УДК 004
ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ INDOOR-НАВИГАЦИИ
Алимаа Владимировна Монгуш
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры прикладной информатики и информационных систем, тел. (999)485-00-17, e-mail: [email protected]
Павел Михайлович Кикин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры прикладной информатики и информационных систем, тел. (913)774-09-034, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрен обзор технологий indoor-навигации, их характеристики, а также достоинства и недостатки.
Ключевые слова: indoor-навигация, позиционирование, технология.
REVIEW OF TECHNOLOGIES FOR INDOOR NAVIGATION
Alimaa V. Mongush
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., undergraduate of the Department of Applied Informatics and Information Systems, tel. (999)485-00-17, e-mail: [email protected]
Pavel M. Kikin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., senior lecturer of the Department of Applied Informatics and Information Systems, tel. (913)774-09-034, e-mail: [email protected]
In the article the review of technologies for indoor navigation, their characteristics and advantages and disadvantages.
Key words: indoor navigation, positioning, technology.
Смартфон всегда может определить местоположение своего владельца с помощью спутниковых ГЛОНАСС и GPS или приложений «Яндекс.Карты», «GoogleMaps», определяющих местонахождение устройств по IP-адресу, точкам доступа Wi-Fi, ячейке сотовой сети или по тем же GPS-координатам. Но иногда людям может оказаться крайне полезной навигация внутри помещений, так называемая indoor-навигация.
Indoor-позиционирование - отличный помощник для ориентирования в огромных зданиях вроде аэропортов, торговых центров, музеев, производственных помещений или больших офисных комплексов, где людям сложно сразу найти необходимый магазин, кабинет или терминал. В этом случае предполагается достаточно точное определение местоположения - погрешность не должна превышать расстояния в 1-2 метра.
Для позиционирования внутри помещений можно применять следующие технологии, различающиеся по физическому принципу и достигаемой точности измерений [1]:
- GPS;
- GSM;
- трилатерация на базе Bluetooth/ Wi-Fi передатчиков;
- радиокарты сигналов Bluetooth/ Wi-Fi;
- RFID и NFC;
- оптические системы;
- инерциальные системы;
- магнитометрия;
- встроенные датчики (гироскоп, компас, акселерометр, барометр, альтиметр);
- камеры;
- светодиодные лампы;
- магнитные датчики и другие.
Далее рассматривается каждая технология более подробно.
GPS - спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположение во всемирной системе координат.
К сожалению, до сих пор GPS не смогла решить проблему навигации в помещениях. Была запатентована технология GPS репитеров, но видимых результатов она не принесла. В крупных торговых центрах, в многоэтажных зданиях GPS не позволяет точно определить местоположение объекта, даже на открытом пространстве точность GPS часто оставляет желать лучшего. Ввиду выше изложенного данная технология более не будет рассматриваться как технология для навигации внутри помещения.
GSM (Global Systemfor Mobile Communications) - глобальный стандарт цифровой мобильной сотовой связи, с разделением каналов по времени и частоте. Был разработан в конце 1980-х годов.
Связь возможна на расстоянии не более 120 км от ближайшей базовой станции даже при использовании усилителей и направленных антенн. Поэтому для покрытия определенной площади необходимо большое количество передатчиков [2].
При отсутствии препятствий ослабление сигнала при распространении возрастает пропорционально квадрату расстояния, увеличиваясь, таким образом, на 6 дБ каждый раз, когда расстояние удваивается.
Следует учитывать не только потери при прохождении сигнала в свободном пространстве, но также и воздействия всякого рода препятствий, расположенных между станцией и сотовым телефоном. Например, железобетонные строения способны ослаблять сигналы, проходящие через них, в 100-1000 раз (то есть на 20-30 дБ).
Сводный список характеристик:
- способность сигнала «пробивать» стены: отличная;
- точность определения координат: от нескольких километров до 10 м;
- радиус действия: в городских условиях около 2 км, реально до 120 км;
- рабочие частоты: 850 Мгц, 900 Мгц, 1800 Мгц, 1900 Мгц;
- доступность и распространенность: более 95 % телефонов на территории Европы;
- минимальная цена дополнительного оборудования для обеспечения работы навигационной системы: точность навигации зависит только от количества базовых станций;
- минимальная цена мобильного устройства, поддерживающего данную технологию: 500 рублей;
- энергопотребление: до 300 Ма.
Таким образом, на сегодняшний день нет возможности использовать данную технологию для навигации внутри помещений, поскольку точность определения координат низкая, нет возможности определить уровень над уровнем моря (устройство не сможет понять, на каком этаже здания оно находится), значительное ослабление сигнала из-за железобетонных перекрытий, а также прямая зависимость точности от количества дорогостоящих базовых станций.
При использовании метода позиционирование по Wi-Fi для определения месторасположения пользователя используются данные, полученные от точек доступа Wi-Fi. В основе вычисления координат клиента лежит метод триангуляции относительно точек доступа (AccessPoints) с известными координатами и данными MAC, SSID (рисунок). Однако не всегда координаты точек доступа могут быть известны. Устройство пользователя сканирует доступные точки, а затем посылает данные для обработки на сервер. После эти данные анализируются с учетом координат самих точек доступа и определяется местоположение пользователя [3]. Для создания навигационных приложений на Android платформе разработчики предлагают использовать GooglePlayserviceslocationAPIs (android.location), позволяющую получить доступ к встроенной в мобильные устройства GPS системе.
АР1
АР2
(,r2,v2)
I 5з
расстояние R
АРЗ
(ад'з)
Рис. Определение координат относительно точек доступа
Трилатерация на базе Bluetooth/ Wi-Fi передатчиков имеет погрешность 10 метров, радиокарты сигналов Bluetooth/ Wi-Fi - 5 метров.
RFID и NFC - две тесно связанные технологии беспроводной связи, которые используются во всем мире для огромного числа приложений, таких как контроль доступа, отслеживания грузов и бесконтактных платежей. RFID была впервые запатентована в 1983 году и является предшественницей NFC.
Технология RFID представляет собой один из способов беспроводной связи между RFID чипом и активным считывателем. RFID метки могут быть отсканированы на расстояниях до 100 метров без прямой видимости для устройства считывания и используется во всем мире для отслеживания грузов в аэропортах и многих других сферах.
Технология NFC является продолжением высокочастотного RFID стандарта. Поэтому NFC имеет много общих физических свойств с RFID. Существую три различия:
1) NFC способна на двухстороннюю связь и поэтому может быть использована для более сложного взаимодействия, такие как эмуляция карт и обмен данными (P2P).
2) NFC ограничена на дальность считывания, обычно 5 см или меньше.
3) Только одна NFC метка может быть отсканирована в одно время.
Эти свойства были разработаны главным образом для обеспечения безопасных мобильных платежей, и именно по этой причине NFC ограничена на дальность считывания. Важным является то, что NFC теперь доступна в большинстве мобильных телефонов, и это, пожалуй, самое важное различие между NFC и RFID.
Остальные способы либо сложно реализовать, либо они не обеспечивают точность измерений.
Существует еще один метод, основанный на применении маячков, и именно он за последние несколько лет получил самое широкое распространение. Сущность метода очень простая - по всему зданию устанавливаются маячки с низким энергопотреблением, транслирующие сигналы, которые принимает и преобразует смартфон, определяя местоположение объекта в здании. Маячки, закрепленные в здании, легли в основу не только indoor-навигации, но и других интересных возможностей в рамках location based services (LBS) действия -программный сервис, использующий данные о локации для управления какими-либо функциями.
Способ навигации по Bluetooth-маячкам заключается в размещении на территории специальных датчиков, которые и обеспечивают получение данных о месторасположения пользователя [6]. Принцип действия - тот же, что в и случае навигации по Wi-Fi или GSM, однако за счет того, что возможно разместить данные датчики более плотно, качество навигации увеличивается. Несмотря на то, что Bluetooth-маячки имеют меньший радиус действия, по сравнению с Wi-Fi, они намного энергоэффективнее и позволяют получить точность позиционирования до полуметра. Пример реализации навигации, базирующейся на этой технологии - система iBeacon от компании Apple. Для си-
стем разрабатываемых на основе геолокационных маячков, компания Google предлагает открытый протокол Eddystone [8]. В отличие от системы позиционирования внутри помещений iBeacon, развиваемой Apple, Eddystone - это ап-паратно независимая платформа. Она может работать как на iOS-, так и Android-устройствах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Извозчикова В. В., Ковалевский А. В., Меженин А. В. Построение систем внутренней навигации // Сборник научн. трудов по материалам Межд. науч.-практ. конф. «Вопросы образования и науки: теор. и методические аспекты», 2015. - С. 74-75.
2. Комраков Д. В. Технологии позиционирования наземных подвижных объектов в сетях GSM. - М. : Буки-Веди, 2012. - С. 166.
3. Пролетарский А. В., Баскаков И. В., Чирков Д. Н. Беспроводные сети Wi-Fi. - М. : БИНОМ, 2007. - С. 178.
© А. В. Монгуш, П. М. Кикин, 2017
