CC BY
637
УДК 527.621
ТЕХНОЛОГИИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
Анастасия Александровна Вахрушева
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, кафедра картографии и геоинформатики, тел. (983)130-54-92, e-mail: [email protected]
В настоящее время существует немало средств, позволяющих решать задачу определения местоположения в пространстве того или иного физического объекта. Использование систем позиционирования людей и материальных объектов - одно из актуальных направлений совершенствования технологических и бизнес-процессов в самых разных отраслях деятельности. Основные различия существующих сегодня систем заключаются в масштабах территорий, на которых возможна их работа, в точности, с которой происходит определение местоположения, необходимых для обеспечения работы системы ресурсах. Кроме того, существуют некоторые ограничения на использование технологий в зависимости от локализации объекта.
В данной статье представлен краткий обзор технологий позиционирования, перечислены и проанализированы наиболее распространенные методы определения местоположения объектов, определены значимые критерии их оценки, приведены основные технические характеристики. Также в статье представлена модель определения координат движущихся объектов в некоторой локальной зоне с высокой точностью определения координат.
Ключевые слова: RTLS, радиочастотные технологии, спутниковые технологии навигации, технологии локального позиционирования, инфракрасное позиционирование, ультразвуковое позиционирование, RFID-метки.
Использование систем позиционирования людей и материальных объектов - одно из актуальных направлений совершенствования технологических и бизнес-процессов в самых разных отраслях деятельности. Разнообразие областей применения и относительная «молодость» направления породили разнообразие технологий позиционирования.
Все системы позиционирования можно разделить на два класса: глобальные системы, или так называемые системы «открытого поля», и локальные системы позиционирования, работающие на ограниченной территории [1].
Целью анализа систем позиционирования является выявление системы, пригодной для определения местоположения объекта в городском пространстве с наивысшей точностью в режиме реального времени.
Задачи для достижения данной цели:
1) изучить современные системы позиционирования;
2) определить значимые критерии сравнения;
3) сравнить технологии позиционирования;
4) определить наиболее подходящую систему для проведения дальнейших опытов.
Системы позиционирования
Система позиционирования в режиме реального времени (Real Time Location Services, RTLS) — относительно новая сфера применения технологии WLAN. RTLS является автоматизированной системой, которая обеспечивает идентификацию, определение координат, отображение на плане местонахождения контролируемых объектов в пределах территории, охваченной необходимой инфраструктурой. Она способна накапливать, обрабатывать и хранить информацию о местонахождении и перемещении людей, предметов, мобильных механизмов и транспортных средств. Также эта система позволяет просигнализировать об отклонениях движения объектов от заданных параметров [2].
Все системы позиционирования можно разделить на два класса: глобальные системы, или так называемые системы «открытого поля», и локальные системы позиционирования, работающие на ограниченной территории.
Основные используемые для позиционирования группы технологий - это:
- радиочастотные технологии;
- спутниковые системы навигации (GPS, ГЛОНАСС);
- технологии локального позиционирования (инфракрасные и ультразвуковые);
- радиочастотные метки - RFID.
Требования к системам позиционирования
Прежде чем перейти к сравнению систем, определимся с критериями сравнения.
К основным характеристикам для сравнения можно отнести:
- точность позиционирования - точность определения координат контролируемого объекта, от нескольких десятков метров до нескольких сантиметров;
- достоверность позиционирования;
- периодичность опроса.
Кроме того, важными критериями являются:
- радиус действия (допустимое расстояние от меток до элементов инфраструктуры);
- помехоустойчивость;
- малые габариты и вес меток;
- низкое энергопотребление меток (с целью экономии заряда аккумуляторов);
- электромагнитная совместимость, необходимость получения частотного разрешения;
- стоимость решений [3, 4].
Сравнение технологий позиционирования
Радиочастотные технологии, в свою очередь, делятся на стандартные технологии передачи данных (Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee), так или иначе приспособленные для измерения расстояний, и на те, которые, исходя из физических свойств модуляции, наиболее подходят для измерения расстояний (CSS/ISO24730-5, UWB, ISO24730-2, NFER и др.). К технологиям позиционирования можно отнести и ранжирование абонентов сотовых сетей по факту их подключения к конкретной базовой станции с целью предоставления «районированных» услуг, и специализированные технологии позиционирования в сотовых сетях с использованием специально дооборудованных базовых станций [5, 6].
Специально для целей навигации, в частности позиционирования, созданы и широко используются спутниковые радионавигационные системы GPS, ГЛОНАСС.
Современные показатели точности системы GPS для невоенных пользователей имеют погрешность по долготе и широте 2,00-8,76 м при использовании навигатором 6-11 спутников. У ГЛОНАСС погрешность по долготе и широте составляет 4,46-7,38 м при использовании 7-8 спутников [7].
Общим недостатком всех радионавигационных систем является то, что при определенных условиях сигнал может не доходить до приемника или приходить со значительными искажениями или задержками. Например, практически невозможно определить свое точное местонахождение в глубине квартиры, внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле, причем даже профессиональными геодезическими приемниками. Так как рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень приема сигнала от спутников может серьезно ухудшиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Нормальному приему сигналов GPS могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников, а также (в редких случаях) от магнитных бурь. Невысокое наклонение орбит GPS (примерно 55 градусов) серьезно ухудшает точность в приполярных районах Земли, так как спутники GPS невысоко поднимаются над горизонтом. Однако, стоит отметить, что благодаря более высокому наклону орбит спутников ГЛОНАСС (около 65 градусов) эта система хорошо работает на всей территории России [8].
К системам локального позиционирования относят ультразвуковые и инфракрасные системы. Они работают на расстояниях от 3 до 10 м. А благодаря тому, что инфракрасное излучение и ультразвук практически не распространяются через стены и дверные проемы, такие системы гарантируют «room level accuracy», то есть факт нахождения человека или предмета в конкретном помещении, что важно для ряда приложений (например, в медицине).
В системах инфракрасного позиционирования мобильные приборы испускают инфракрасные импульсы с определенной периодичностью. Эти импульсы воспринимаются приемниками системы, и местонахождение прибора рассчитывается по времени прохождения сигнала от источника к приемнику. Недос-
татки: невысокая относительная точность и помехи от солнечного света. ИК лазер повышает дальность и точность измерений, но обходится дороже. Точность позиционирования составляет до 10 см.
Ультразвуковые датчики работают на частотах от 40 до 130 кГц. Расстояние рассчитывается по времени прохождения сигнала от датчика до приемника. Используя несколько приемников, можно точно рассчитать местоположение передатчика. Рекомендуется использовать четыре приемника.
Недостатки: потери сигнала из-за препятствий, ложные сигналы из-за отражений и помехи от высокочастотных источников звука (например, от ультразвуковых дефектоскопов, ультразвуковых ванн на производстве, УЗИ в больнице). Для исключения этих недостатков требуется тщательное планирование системы.
Достоинство - высочайшая, до 3 см, точность позиционирования.
Инфракрасные и ультразвуковые системы позиционирования имеют довольно ограниченное применение, причем, по мере совершенствования радиочастотных технологий, в частности, повышения их точности, применение ИК- и УЗ- систем сокращается [9].
Активные радиочастотные метки используются при необходимости отслеживания предметов на относительно больших расстояниях (например, на территории сортировочной площадки). Рабочие частоты активных RFID -455 МГц, 2,4 ГГц или 5,8 ГГц, а радиус действия - до 100 м. Питаются активные метки от встроенного аккумулятора.
Существуют активные метки двух типов: радиомаяки и транспондеры. Транспондеры включаются, получая сигнал считывателя. Они применяются в АС оплаты проезда, на КПП, въездных порталах и других подобных системах [10].
Радиомаяки используются в системах позиционирования реального времени. Радиомаяк отправляет пакеты с уникальным идентификационным кодом по команде либо с заданной периодичностью. Пакеты принимаются как минимум тремя приемниками, расположенными по периметру контролируемой зоны. Расстояния от маячка до приемников с фиксированными координатами определяются по углу направления на маячок Angle of arrival (AoA), по времени прихода сигнала Time of arrival (ToA) или по времени распространения сигнала от маячка до приемника Time-of-flight (ToF).
Инфраструктура системы строится на базе проводной сети и в двух последних случаях требует синхронизации.
Термин «активные RFID» охватывает обширный класс разнообразных изделий. Большинство радиочастотных систем позиционирования используют для идентификации и позиционирования объектов активные RFID. Поэтому характеристики активных радиочастотных меток, включая точность позиционирования и стоимость, сильно различаются, в зависимости от конкретного производителя [11].
Сравнительные характеристики рассмотренных технологий идентификации и позиционирования подвижных объектов приведены в таблице.
Основные параметры технологий позиционирования
Тип ЯТЬ8 Точность, м Дистанция, м Стоимость Возможность использования вне помещений
ГЛОНАСС 2-7,5 Средняя Да
Инфракрасное 0,2 5-10 Высокая Нет
Ультразвуковое 0,2 5-10 Высокая Нет
Пассивные ЯБГО 0,1 1-2 Низкая Нет
Активные ЯБЮ 1-3 20-150 Средняя Да
Сравнение достоинств и недостатков систем позиционирования и идентификации подвижных объектов позволяет рекомендовать КБГО-технологию идентификации.
Выводы
Проанализировав технологии, пригодные для позиционирования в режиме реального времени, выявлена проблема отсутствия универсальной системы позиционирования, с возможностью определения местоположения объекта как внутри, так и вне помещений. Для решения данной проблемы можно предложить метод навигации с использованием корпусированных активных меток (метки этого типа выпускаются в специальных защитных корпусах, предотвращающих воздействие помех и агрессивных сред на микрочип и антенну).
Расположив КБГО-метки на стенах зданий и приведя системы координат к единой, мы получим сплошную зону покрытия выбранной территории с более высокой точностью определения координат объекта в режиме реального времени.
Радиометки излучают сигнал с заданной периодичностью. Сигнал принимается как минимум от трех меток, расположенных по периметру участка, на котором отслеживаются объекты [12].
На выходе мы получим локальную навигационную систему, содержащую набор КБГО-меток, на входы которых поступают сигналы с навигационного сервера. С целью корректировки положений метки (при необходимости) сигналы с выхода метки поступают по каналу связи на навигационную аппаратуру потребителя объекта навигации. С выхода метки поступают сигналы масштабной частоты. Затем измеряются разности фаз сигналов разностной частоты, принятых от КБГО-меток, по которым вычисляется местоположение объекта навигации.
На рисунке представлена модель навигационной системы.
Вне помещения
ft
Внутри зданий
Модель навигационной системы, отображающая взаимодействие
между элементами
Представленная модель относится к радиотехническим навигационным системам и может быть использована для определения местоположения объекта в городском пространстве с наивысшей точностью в режиме реального времени.
1. Козловский Е. Искусство позиционирования // Вокруг света. - 200б. - № 12 (2795). -
2. Mobile Phone Indoor Positioning Systems (IPS) and Real Time Locating Systems (RTLS) 2014-2024. [Электронный ресурс]. - Режим доступа : IDTECHEX / - http http://www.idtechex.com/research/reports/mobile-phone-indoor-positioning-systems-ips-and-real-time-locating-systems-rtls-2013-2023-000359.ja.asp свободный. - Загл. с экрана. - Анг. яз.
3. Алешин Б. С. Веремеенко К. К., Черноморский А. И. Ориентация и навигация подвижных объектов. - М. : Физматлит. - 200б. - 424 с.
4. Карпик А. П., Липатников Л. А. Проблемы и перспективы точного позиционирования с использованием массовой аппаратуры потребителя ГНСС // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т.2 . - С. 124-127.
5. ZigBee Products : сайт компании Digi International® Inc., яз. англ. [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.digi.com/products/zigbee/ .
6. WNS (ZIGBEE WIRELESS SENSOR) : сайт компании Delta Controls, яз. англ. [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.deltacontrols.com/products/hvac/network-sensors-io-expansionmodules/wns-zigbee-wireless-sensor .
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
С. 204-280
7. Косарев Н. С., Щербаков А. С. Статистический анализ точности определения положения спутников систем ГЛОНАСС И GPSи // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 2 (26). - С. 9-18.
8. Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии : монография. В 2 т. Т. 1. - М. : ФГУП «Картгеоцентр», 2005. - 334 с.
9. Григорьев В. А. Системы и сети радиодоступа. - М. : ЭкоТрендз, 2005. - 384 с.
10. Гудин М., Зайцев В. Технология RFID: реалии и перспективы // Компоненты и технологии. - 2003. - № 4 (30). - С. 42-44.
11. RFID. [Электронный ресурс]: TADVISER. Государство. Бизнес. ИТ. - Режим доступа : http://www.tadviser.ru/index.php/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D1%8F :RFID. - Загл. с экрана. - Рус. яз.
12. Шеболков В. В., Огурцов Е. С., Семенистая Е. С. Локальная навигационная система : Пат. 2015112038 Всемирная организация интеллектуальной собственности, PCT/RU2014/000033; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Азовский оптико-механический завод». № 2015112038; заявл. 21.01.2014; опубл. 30.07.2015.
Получено 11.11.2016
© А. А. Вахрушева, 2017
POSITIONING TECHNOLOGIES IN REAL TIME
Anastasia A. Vakhrusheva
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D. student, Department of Cartography and Geoinformatics, tel. (983)130-54-92, e-mail: [email protected]
Currently, there are many tools to solve the problem of determining the position in space of a physical object. The use of positioning systems of people and material objects - one of the important ways to improve technology and business processes in various fields of activity. The main differences today existing systems is: the scale of the territories in which the possibility of their work in the precision with which the location of the definition required for the operation of the system resources. In addition, there are some limitations on the use of technology according to the object localization.
This article provides a brief overview of positioning technologies are listed and analyzed the most common methods of determining the location of objects identified important criteria for their assessment, are the main technical characteristics. The article also presents a model of determining the coordinates of moving objects in a certain local area with high positioning accuracy.
Key words: RTLS, RF technology, satellite navigation technology, local positioning technology, infrared positioning, ultrasonic positioning, RFID tags.
REFERENCES
1. Kozlovskij, E. (2006). Positioning Art. Vokrug sveta [Around the World], 12(2795), 204280 [in Russian].
2. Mobile Phone Indoor Positioning Systems (IPS) and Real Time Locating Systems (RTLS) 2014-2024: IDTECHEX. (n. d.). Retrieved from http://www.idtechex.com/research/reports/mobile-phone-indoor-positioning-systems-ips-and-real-time-locating-systems-rtls-2013-2023000359.ja.asp [in Russian].
3. Aleshin, B. S. Veremeenko, K. K., & Chernomorskij, A. I. (2006). Orientacija i navigacija podvizhnyh obektov [Orientation and navigation of mobile objects]. Moscow: Fizmatlit [in Russian].
4. Karpik, A. P., & Lipatnikov, L. A. (2014). Problems and prospects of precision positioning equipment using mass consumer GNSS. In Sbornik materialov Interekspo GEO-Sibir'-2014: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 2. Geodezija, geoinformatika, kartografija, markshejderija. [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2014: International Scientific Conference: Vol. 2. Geodesy, Geoinformatics, Cartography, Surveying] (pp. 124-127). Novosibirsk: SSUGT [in Russian].
5. ZigBee Products Digi International® Inc. (n. d.). Retrieved from http://www.digi.com /products/zigbee/ [in Russian].
6. WNS (ZIGBEE WIRELESS SENSOR). (n. d.). Retrieved from http://www.deltacontrols. com/products/hvac/network-sensors-io-expansionmodules/wns-zigbee-wireless-sensor [in Russian].
7. Kosarev, N. S., & Shherbakov, A. S. (2014). Statistical analysis of the accuracy of determining the position of the satellites GLONASS and GPS. Vestnik SGUGiT[Vestnik SSUGT], 2(26), 9-18 [in Russian].
8. Antonovich, K. M. (2005). Ispol'zovanie sputnikovyh radionavigacionnyh sistem v geodezii: T. 1 [Use of satellite navigation systems in geodesy: Vol. 1]. Moscow: FGUP "Kartgeotsentr" [in Russian].
9. Grigor'ev, V. A. (2005). Sistemy i seti radiodostupa [System and radio access network]. Moscow: JekoTrendz [in Russian].
10. Gudin, M., & Zajcev, V. (2003). RFID Technology: realities and prospects. Komponenty i tehnologii [Components and Technologies], 4(30), 42-44 [in Russian].
11. RFID. TADVISER. (n. d.). Retrieved from http://www.tadviser.ru/index.php/%D0%A1 %D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D1%8F:RFID [in Russian].
12. Shebolkov, V. V., Ogurcov, E. S., & Semenistaja, E. S. Patent WO No. 2015112038. World Intellectual Property Organization [in Russian].
Received 11.11.2016
© A. A. Vakhrusheva, 2017
