Для чего используются системы позиционирования

Виды позиционирования объектов. Для чего применима каждая из технологий определения местоположения

Добрый день. Сегодня мы обсудим с вами виды и способы позиционирования объектов с использованием радиотехнологий.

Постараюсь ответить на следующие вопросы:

Какие виды позиционирования бывают?

Чем отличается Bluetooth от UWB?

Какие преимущества у гибридного подхода к позиционированию?

Виды позиционирования объектов

Разберём подробнее, чем отличаются существующие технологии и в каких случаях на них можно полагаться.

Глобальное позиционирование

В основе систем глобального позиционирования (GNSS) лежит использование спутниковых технологий. Определение координат, направления движения и скорости происходит с помощью GPS, ГЛОНАСС, либо спутников других навигационных систем (Galileo, Beidou). Точность определения местоположения объектов варьируется от 2 до 6 метров. Если в системе позиционирования используются сигналы нескольких орбитальных группировок, то погрешность не превышает 2-3 метров. В будущем, по мере развития технологий, точность планируется довести до нескольких десятков сантиметров.

Внедрение систем спутникового контроля не требуют больших усилий и затрат, так как для их функционирования достаточно оснастить объекты устройствами слежения и внедрить в компании диспетчерское ПО. Однако, при всех достоинствах, глобальное позиционирование будет эффективным только на открытой местности, то есть при уверенном приеме спутникового сигнала. Поэтому сфера применения глобальных систем ограничена – это исключительно транспорт и в некоторых случаях мобильные сотрудники. Для любой компании, в которой есть свой или наемный автопарк, спутниковый контроль абсолютно необходим. Но когда речь идет о помещениях, производствах или же подземной добыче ископаемых, спутниковые технологии помочь не смогут из-за ограничений технологии и переотражения сигнала в помещениях, даже с большими окнами.

Локальное позиционирование

Как и следует из названия, системы локального позиционирования (RTLS) разработаны для контроля за сотрудниками, транспортом, оборудованием и в целом за всей ситуации в строго заданных границах. Это могут быть офисные и производственные помещения, склады и логистические комплексы, медицинские организации, подземные сооружения, шахты, и т.п. В данном случае используются беспроводные и радиочастотные технологии (напр.: Wi-Fi, Bluetooth, RFID, ZigBee, nanoLOC, UWB), а также инфракрасные, ультразвуковые, оптические, инерциальные и ряд других. В зависимости от применяемых технологий, локальное позиционирование подразделяется на зональное (до 20 метров) и точное (от 0,1 до 3 метров).

Гибридное позиционирование

Данный вид позиционирования как раз-таки помогает контролировать объекты как внутри закрытых пространств, так и за их переделами на открытой местности в рамках одной системы мониторинга персонала или техники. Это происходит благодаря тому, что гибридное позиционирование объединяет в себе технологии глобального и локального позиционирования. Так, например, в одном устройстве может быть объединена технологии GNSS и BLE. И если в составе системы позиционирования есть оборудование, которое может вовремя переключаться на разные режимы определения координат объекта, то это будет лучший вариант для компании, заинтересованной в комплексном контроле, как внутри помещений, так и на открытой территории.

Для наглядности привожу сравнительную таблицу возможностей этого и двух других видов позиционирования:

Зональное – до 20 м*
Wi-Fi, Bluetooth, RFID, ZigBee

Источник

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.

Источник

Система позиционирования

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. Развернутые в настоящее время 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 информацию о местоположении и ориентации в 6-мерном масштабе.

Примеры существующих систем включают

Системы рабочего места

Примеры: Wii Remote с сенсорной планкой, Polhemus Tracker, решения для точного отслеживания движения InterSense. [6]

Высокая производительность

Существует множество технологий для определения положения и ориентации объекта или человека в комнате, здании или в мире.

Акустическое позиционирование

Время полета

Оптические трекеры, такие как лазерные дальномеры, страдают от проблем с прямой видимостью, и 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

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

Основное преимущество инерционного зондирования заключается в том, что он не требует внешнего опорного сигнала. Вместо этого он измеряет вращение с помощью гироскопа или положение с помощью акселерометра относительно известного исходного положения и ориентации. Поскольку эти системы измеряют относительные положения, а не абсолютные положения, они могут страдать от накопленных ошибок и, следовательно, подвержены дрейфу. Периодическая повторная калибровка системы обеспечит большую точность.

Механическая связь

Разность фаз

Системы разности фаз измеряют сдвиг фазы входящего сигнала от эмиттера на движущейся цели по сравнению с фазой входящего сигнала от эталонного эмиттера. 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

Оптические системы

Магнитное позиционирование

Самые последние приложения могут использовать данные магнитного датчика со смартфона для беспроводного определения местоположения объектов или людей внутри здания. [14]

Гибридные системы

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]

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]

Источник

Технологии идентификации и позиционирования в режиме реального времени

Идентифицировать интересующие объекты и контролировать их местонахождение можно по-разному. Все зависит от целей и условий.
Если цель – распознавание абонентов для оказания районированных услуг (например, прогноза погоды), то ошибка в десяток километров особой роли не сыграет, а если речь идет о позиционировании чипа на плате при автоматической сборке, речь пойдет о микронах.
Если нужно быстро найти нужную запчасть, периодичность опроса в системе может быть минимальной – только в момент, когда эта запчасть потребовалась или при инвентаризации. Остальное время система может проводить в спящем режиме. Но если требуется контролировать соблюдение маршрутов и скоростного режима движения погрузчиков в цехе, потребуется частота опроса до нескольких раз в секунду – режим реального времени.
Фуру на междугородном маршруте логичнее всего отслеживать с помощью спутниковой системы позиционирования, но как только она попадает на крытую разгрузочную площадку или в ремонтный бокс, связь со спутниками теряется и требуется что-то другое.
И таких особенностей применения много. Естественно, существует и множество различных видов систем идентификации и позиционирования.

В этом топике речь пойдет о системах идентификации и позиционирования. Но чтобы не утонуть в море информации, мы оставим в стороне системы локации (радио, акустической, инфракрасной), где местонахождение объекта определяется по отраженному сигналу. Не будем рассматривать роботизированные сборочные системы, где позиция объекта не измеряется системой, а задается ею. Оставим без внимания и интеллектуальные системы видеонаблюдения с их методами распознавания объектов.
Речь в топике пойдет о системах позиционирования с использованием индивидуальных меток – будь то собственно метка, GPS навигатор, Wi-Fi устройство или сотовый телефон.

Применение систем идентификации и позиционирования (определения местонахождения) материальных объектов – людей, транспортных средств, подвижных механизмов и различных предметов – актуальное направление оптимизации технологических и бизнес процессов. Такие системы уже применяются в самых разных сферах деятельности. От мониторинга пациентов, персонала, лекарств и оборудования в клиниках – до контроля местонахождения инструментов, сборочных единиц и рабочих на конвейере. От поиска пострадавших при чрезвычайных ситуациях – до наблюдения за животными при свободном содержании для выявления заболевших.
Разнообразие областей и направлений использования породили разнообразие технологий.

Требования к системам позиционирования

Прежде чем перейти к сравнению систем, определимся с критериями сравнения.

Как уже говорилось выше, системы должны обеспечивать:
а) идентификацию контролируемых объектов;
б) оптимальную точность позиционирования;
в) оптимальную периодичность опроса.

Кроме того, важными критериями являются:
г) радиус действия (допустимое расстояние от меток до элементов инфраструктуры);
д) помехоустойчивость;
е) устойчивость к многолучевому затуханию (влиянию отраженных сигналов);
ж) малые габариты и вес меток;
з) низкое энергопотребление меток (с целью экономии заряда аккумуляторов);
и) простота развертывания и эксплуатации;
к) электромагнитная совместимость, необходимость получения частотного разрешения;
л) стоимость решений.

Виды систем позиционирования

Для позиционирования используются несколько групп технологий.
Прежде всего, это спутниковые навигационные системы – GPS, ГЛОНАСС, Бэйдоу, Galileo и другие.
Наиболее многочисленную группу составляют радиочастотные технологии, включая радиочастотные метки – RFID.
В отдельную группу можно выделить технологии инфракрасного и ультразвукового позиционирования.

Среди радиочастотных технологий можно выделить технологии, изначально предназначенные для оказания услуг связи, так или иначе приспособленные для позиционирования (Wi-Fi, Bluetooth, сотовая связь), и те, которые по физическим свойствам модуляции в наибольшей мере подходят для позиционирования – это CSS (ISO24730-5), UWB, NFER и другие.

Оставим радиочастотные технологии «на сладкое», а начнем с глобальной навигации.

Глобальные навигационные системы

Не будем останавливаться на технологических моментах – они общеизвестны. Перейдем сразу к характеристикам. Наилучшую точность на сегодня обеспечивает GPS. Точность позиционирования уже сейчас не хуже шести метров. А новое поколение спутников, запускаемых в настоящее время, обеспечит точность не менее 60-90 см.
Общий недостаток глобальных систем – зависимость от условий использования. Практически невозможно определять местонахождение внутри зданий, в подвалах или тоннелях, уровень сигнала серьезно ухудшается под покровом листвы деревьев и даже при большой облачности. На прием сигналов GPS влияют помехи от наземных источников. Поскольку орбиты GPS имеют наклонение около 55 градусов, точность в высоких широтах значительно снижается, т.к. спутники GPS видны низко над горизонтом. В этом отношении спутники ГЛОНАСС имеют преимущество – наклон их орбит около 65 градусов (рассчитан на всю территорию России).

Позиционирование в сотовых сетях

Позиционирование в сотовых сетях появилось одним из первых (задолго до глобального позиционирования). Это объясняется широким распространением сотовой связи и относительной простотой метода Cell Of Origin – по местонахождению соты, к которой подключился абонент. Точность такого позиционирования определяется радиусом действия соты. Для «пикосот» это 100-150 метров, для большинства базовых станций – километр и более.
Для более точного определения координат используют данные от нескольких базовых станций. Существует несколько таких методов.
Angle of arrival – направление на абонента. Метод основан на том, что базовая станция имеет от трех до шести антенных решеток, каждая из которых обслуживает свой сектор (на своей частоте) Местонахождение определяется на пересечении секторов нескольких станций. Чем больше секторов в соте, тем уже каждый сектор и меньше площадь пересечения секторов. А значит, выше точность. Обычно точность составляет 100-200 метров.
Time of arrival – время прибытия. При этом методе измеряется время прихода сигнала от абонента на минимум три базовые станции. Для достижения точности требуется синхронизация базовых станций с помощью атомных часов либо по сигналам со спутника. Точность метода – около ста метров.
Гибридный метод сводится к оснащению мобильного телефона приемником GPS.
Помимо перечисленных существует целый ряд фирменных технологий:
Mobile Positioning System (Ericsson) – точность 100 м;
RadioCameraTM – точность 50 м;
SnapTrackTM (Wireless Assistant GPS) – точность до 15 м;
CursorTM (CPS) – точность 50 м;
Finder (CellPoint) – точность 75 м.
Цена решения тем выше, чем точнее позиционирование.
Идентификация объекта в сотовых сетях возможна, но обычно такая задача не ставится.

WiFi позиционирование

Если учесть, что число оснащенных WiFi приборов в 2011 году достигло 1,2 миллиарда, включая 513 миллионов смартфонов и 230 миллионов компьютеров, быстрое распространения систем Wi-Fi позиционирования вполне естественно.
Простейший способ позиционирования в WiFi сетях, подобно сотовым, – по базовой станции, к которой подключен абонент. Способ используется для оказания различных услуг, в зависимости от типа подключенного устройства и его местонахождения. Радиус действия WiFi точек доступа обычно составляет 30-200 метров. Этим и определяется точность позиционирования.
Чтобы повысить точность позиционирования измеряют мощность радиосигнала, время его распространения от абонента до точки доступа, направление на источник сигнала.
Но даже в таких системах точность позиционирования относительно невысока. В идеальных условиях она составляет в 3-5 метров, в реальных – 10-15 метров.
Как и в случае с сотовыми сетями, в сетях Wi-Fi идентификация объекта возможна, но обычно такая задача не ставится.

«Локальные» системы позиционирования

К локальным системам позиционирования относятся оптические (обычно инфракрасные) и ультразвуковые системы. Их радиус действия невелик – 3-10 метров.
Их преимущество в том, что поскольку свет и звук практически не проходят через стены и двери, они гарантируют «room level accuracy» – факт нахождения контролируемого объекта в конкретном помещении. Это важно, например, в медицине.
Инфракрасное позиционирование
Мобильная метка в системе инфракрасного позиционирования испускает инфракрасные импульсы, которые принимаются приемниками системы, имеющими фиксированные координаты. Местонахождение метки рассчитывается по Time-of-flight (ToF) – времени распространения сигнала от источника до приемника. Недостаток метода – чувствительность к помехам от солнечного света. Применение ИК лазера повышает дальность, точность, но к сожалению и стоимость. Точность позиционирования этим методом 10-30 сантиметров.
Ультразвуковое позиционирование
В системах ультразвукового позиционирования используются частоты от 40-130 кГц. Для определения координат метки обычно измеряют ToF до четырех приемников.
Основной недостаток – чувствительность к потерям сигнала при наличии (появлении) даже «легких» препятствий, к ложным эхо-сигналам и к помехам от источников ультразвука, например, от ультразвуковых дефектоскопов, аппаратов ультразвуковой очистки на производстве, УЗИ в больнице. Чтобы исключить эти недостатки, требуется тщательно планировать систему.
Достоинство ультразвуковых систем – высочайшая точность позиционирования, достигающая трех сантиметров.
«Локальные» системы позиционирования применяются довольно редко, и их применение сокращается по мере развития радиочастотных технологий.

Системы позиционирования с использованием пассивных радиочастотных идентификаторов (RFID)

Основное назначение систем с пассивными RFID метками – идентификация. Они применяются в системах, традиционно использовавших штрих-коды или магнитные карточки – в системах распознавания товаров и грузов, опознания людей, в системах контроля и управления доступом (СКУД) и т.п.
Система включает RFID метки с уникальными кодами и считыватели и работает следующим образом. Считыватель непрерывно генерирует радиоизлучение заданной частоты. ЧИП метки, попадая в зону действия считывателя, использует это излучение в качестве источника электропитания и передает на считыватель идентификационный код. Радиус действия считывателя составляет около метра.
Стоимость систем с пассивными RFID метками выше стоимости систем с штрих-кодами или магнитными карточками, но использование пассивных RFID существенно разгружает операторов.

Системы позиционирования с использованием активных RFID

Активные радиочастотные метки используются при необходимости отслеживания предметов на относительно больших расстояниях (например, на территории сортировочной площадки). Рабочие частоты активных RFID – 455МГц, 2,4ГГц или 5,8ГГц, а радиус действия – до ста метров. 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.
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. Расстояние 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.

Позиционирование по технологии «ближнего поля»

Технология измерения расстояния в ближнем электромагнитном поле (Near-field electromagnetic ranging – NFER) использует метки-передатчики и один или несколько приемников. В системах NFER приемник для определения расстояния измеряет разность фаз между электрической и магнитной составляющими излучаемого меткой электромагнитного поля. Поскольку эта разность изменяется от 90° около излучающей антенны до нуля на расстоянии полуволны, именно длина полуволны определяет радиус действия системы. При частоте 1 МГц длина волны составляет 300 м, а радиус действия –150 м, при частоте 10 МГц – 30 и 15 м соответственно.
Точность позиционирования в реальных условиях составляет около метра на расстоянии до 30 метров.
Относительно низкая частота радиоволн облегчает их прохождение в сложных производственных средах. Радиоволны огибают препятствия, не отражаются. Поэтому NFER технология имеет преимущества при сложной конфигурации помещений с большим количеством препятствий.
Недостаток NFER системы связан с низкой эффективностью антенны. Для эффективной работы антенна должна быть соизмерима с длиной волны. В действительности она в сотни раз меньше, что требует увеличения мощности передатчика, а соответственно габаритов и веса меток.

Ultra Wideband (UWB) позиционирование

Технология UWB (сверхширокополосная) использует короткие импульсы с максимальной полосой пропускания при минимальной центральной частоте. У большинства производителей центральная частота составляет несколько гигагерц, а относительная ширина полосы – 25-100%. Технология используется в связи, радиолокации, измерении расстояний и позиционировании.
Это обеспечивается передачей коротких импульсов, широкополосных по своей природе. Идеальный импульс (волна конечной амплитуды и бесконечно малой длительности), как показывает анализ Фурье, обеспечивает бесконечную полосу пропускания. UWB сигнал не походит на модулированные синусоидальные волны, а напоминает серию импульсов.

Производители предлагают разные варианты UWB технологии. Различаются формы импульсов. В некоторых случаях используются относительно мощные одиночные импульсы, в других – сотни миллионов маломощных импульсов в секунду. Применяется как когерентная (последовательная) обработка сигнала, так и не когерентная. Все это приводит к значительному различию характеристик UWB систем разных производителей.

Преимущества технологии: надежная работа, высокая точность, устойчивость к многолучевому затуханию.
Ограничения: сложность создания передатчика существенной мощности (типичная мощность – 50 мкВт, наиболее мощного – 10 мВт).
Кроме того, существуют ограничения со стороны органов частотного регулирования (системы, как правило, приходится использовать в помещениях, где их маломощный сигнал практически не детектируется на фоне шума).

Инфраструктура системы строится на базе проводной сети и требует синхронизации.

Система позиционирования с использованием CSS и SDS-TWR

Подробно о позиционировании с использованием CSS и SDS-TWR я писал в топиках (1) и (2).
Такая система обеспечивает точность позиционирования три метра и радиус действия 50 метров, обладает повышенной помехоустойчивостью и устойчивостью к многолучевому затуханию, отличается низким энергопотреблением меток, не требует синхронизации.
Но развертывание инфраструктуры осложняется необходимостью строительства проводной сети передачи данных до каждой базовой станции.

То же, но с применением ZigBee сети и MEMS акселерометров

О такой системе позиционирования я также уже писал в топике (3).
Подробнее можно прочитать здесь и здесь.
Отмечу только, что эти усовершенствования упростили развертывание инфраструктуры и позволили повысить точность до одного метра.

Сравнение технологий

Сравнительные характеристики описанных технологий приведены в таблице:

Источник