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: