для чего используются системы позиционирования
Технологии локального позиционирования. Часть I
Использование RTLS (Real Time Location System, систем определения местоположения в режиме реального времени) зависит от поставленных задач и целей. Для того, чтобы правильно выбрать необходимую вам систему, необходимо понимать на основе какой из многочисленных технологий она работает.
Компания RTL-Service занимается разработкой таких решений, поэтому мы регулярно участвуем во всевозможных выставках, анализируем рынок различных систем локального позиционирования и проводим необходимые исследования. В процессе работы мы столкнулись с проблемой отсутствия более-менее полной классификации технологий локального позиционирования, в связи с чем нами была произведена попытка её создания.
1) UWB – это все радиочастотные технологии, у которых радиочастотный канал превышает либо 500МГц, либо он содержит 20% от величины центральной частоты модуляции. Базирующиеся на этой технологии RTLS системы характеризуется высокой точностью определения местоположения. Главное преимущество описываемой технологии – способность сохранять эффективность в помещениях со сложной геометрией и большим количеством помех.
2) Wi-Fi – это технология передачи данных среднего радиуса действия, обычно покрывающая десятки метров, которая использует нелицензируемые диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Поскольку Wi-Fi изначально не предназначалась для использования в качестве технологии локального позиционирования, стандартная сеть предоставляет информацию с точностью лишь до точки доступа, поэтому для повышения точности определения местоположения используется RSSi или при некоторых доработках другие специализированные методы (например, TDoA).
3) WiMax – беспроводные сети масштаба города (реализация технологии «последней мили»). Это технология работающая в 2-х диапазонах частот (2-11 ГГц — для соединения базовой станции с абонентской, 10-66 ГГц — между базовыми станциями для передачи на данных на большие расстояния в пределах прямой видимости).
Эта технология изначально не приспособлена для определения местоположения (как и Wi-Fi).
4) MiWi – это беспроводной протокол, разработанный компанией Microchip, предназначенный для построения дешевых радиосетей с передачей данных на небольшие расстояния. Фактически является упрощённым аналогом ZigBee.
5) ZigBee – стандарт для набора высокоуровневых протоколов связи, использующих небольшие, маломощные цифровые трансиверы, основанный на стандарте IEEE 802.15.4 для беспроводных персональных сетей. ZigBee предназначен для радиочастотных устройств, требующие гарантированной безопасной передачи данных при относительно небольших скоростях и возможности длительной работы сетевых устройств от автономных источников питания (батарей).
6) NFER (Near-field electromagnetic ranging) – относительно новая технология позиционирования, которая использует метки-передатчики и одно или несколько принимающих устройств. Технология основана на том, что сдвиг фаз между электрической и магнитной составляющей электромагнитного поля изменяется по мере удаления от излучающей антенны.
Вблизи небольшой (относительно длины волны) антенны электрическая и магнитная составляющие поля радиоволны сдвинуты по фазе на 90 градусов. При увеличении расстояния от антенны эта разница уменьшается. При достаточном удалении от антенны сдвиг фаз сходит к нулю.
Оптимальная для измерения расстояния дистанция между приемником и передатчиком лежит в пределах половины длины волны. Соответственно, чтобы обеспечить достаточно большую дистанцию передатчики метки должны использовать относительно низкие частоты. Обычно от 1 МГц (длина волны 300 м, оптимальная дистанция до 150 м) до 10 МГц (длина волны 30 м, оптимальная дистанция до 15 м). В зависимости от выбора частоты, NFER имеет потенциал для достижения точности до 30 см на расстоянии до 300 метров.
8) DECT – технология беспроводной связи на частотах 1880—1900 МГц с модуляцией GMSK (BT = 0,5), используется в современных радиотелефонах. Данная технология позволяет определять местоположение объекта с точностью до определённой базовой станции без использования специализированного программного обеспечения, а также с точностью 5-10 метров на открытом пространстве или в пределах помещений, находящихся в зоне обслуживания системы со специализированным ПО. Как и для большинства технологий, точность значительно снижается при работе в сооружениях, материалы конструкций которых имеют разнородную структуру.
9) Позиционирование в сотовых сетях – определение местоположения объекта на основе метода Cell Of Origin – по координатам соты, к которой подключен абонент. Точность позиционирования определяется радиусом соты. Для так называемых «пикосот» она составляет 100-150 метров, то в большинстве случаев это километр и более. Для повышения точности до десятков метров необходимо использовать методы EoTD/OTDoA.
10) Bluetooth – спецификация беспроводных персональных сетей (Wireless personal area network, WPAN), ближнего радиуса действия, работающая в частотном диапазоне 2,4-2,4835 ГГц. В Bluetooth несущая частота сигнала меняется 1600 раз в секунду псевдослучайным образом, это позволяет избежать проблем при функционировании группы устройств в непосредственной близости, а так же повысить безопасность передачи данных.
Ниже представлена сводная таблица по радиочастотным технологиям. 
Автор: Алевтина Осколкова
В следующей статье мы рассмотрим другие технологии локального позиционирования.
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.
Локаторы и метки. Как работают системы позиционирования в режиме реального времени
Real-time locating system (RTLS) или системы позиционирования объектов в реальном времени активно применяются в самых разных сферах. Это давно уже не только просто точка на карте — хотя, и это тоже. Я представляю ведущего мирового производителя RTLS-систем и расскажу об их огромных возможностях делать жизнь и работу лучше.
Система позиционирования в реальном времени — это не только определение местоположения объекта
Современные системы позиционирования собирают данные состояния окружающей среды и позволяют мгновенно получать информацию об уровне освещения, температуры, давления, влажности, радиации и концентрации разных веществ в воздухе.
Можно использовать оборудование для мониторинга жизненно важных индивидуальных показателей: давление, частота сердечных сокращений, температуры тела.
К устройствам системы позиционирования можно добавлять множество атрибутов, организовывать устройства в группы и определять роли зон, отправлять push-уведомления выбранным пользователям и организовывать локальные системы голосовой связи. Эффективно сочетание системы позиционирования в режиме реального времени с видеонаблюдением и радиосвязью. Например, можно связаться с рабочим, метка которого подала на пульт сигнал тревоги при входе в зону с повышенным риском.
Применение систем позиционирования, как первый шаг на пути к цифровому двойнику предприятия и промышленности 4.0
Умные фабрики создаются с помощью цифровых технологий. Рост эффективности предприятия основан на правильных решениях принятых своевременно. Качество решения определяется глубиной анализа. Своевременность определяется скоростью данных, которые вы получаете для анализа ситуации. Данные об объемах запасов деталей для производства, контейнерах, поддонах, погрузчиках, состоянии инструментов на конвейере, сотрудниках и многом другом в комплексе позволяют увеличить эффективность производственных процессов, сократить количество ошибок и время на их устранение.
Аналитика о времени сотрудника на складе, за станком, в столовой не только улучшает контроль за работой, но и позволяет видеть слабые места в практической организации труда.
Отслеживание активов на производстве в Dyer Engineering
Завод по производству металлических конструкций в Стенли (Великобритания) занимает 10 зданий на двух площадках общей площадью 9 200 кв. м. У компании одномоментно выполняется примерно 1 000 заказов на выполнение работ с большим количеством монтажа — около 10 000 операций на всех площадках.
Для повышения эффективности процессов на производстве было установлено 60 локаторов, каждый из которых покрывает зону около 100 кв. м. К оборудованию и продукции прикрепили 1 000 меток. Экономия от уменьшения времени поиска инвентаря и инструментов в денежном эквиваленте составила более 10 000 фунтов в месяц.
Оптимизация внутренней логистики и работы склада в NGK Ceramics
Позиционирование в реальном времени помогает организовывать систему внутренней логистики. Один из свежих примеров — NKG Ceramics, лидер по выпуску керамических катализаторов и фильтров для автомобилей. Компания стремилась увеличить мощность завода в Северной Каролине, где в пиковые часы поддоны с продукцией складывались по всему цеху и по меньшей мере двое сотрудников занимались их поиском и возвращением на места.
При помощи системы позиционирования был создан цифровой двойник предприятия с активным мониторингом инфраструктуры, запасов и логистических механизмов. Умный цех позволил уже в первые полгода втрое сократить время простоя производства.
Мониторинг и протоколирование процессов сборки в Atla
ATLA (Турин, Италия) занимается ремонтом высокотехнологичных компонентов для газовых турбин. Производственный процесс компании требует постоянного перемещения деталей между рабочими станциями.
Позиционирование здесь интегрировано в ERP-систему производства, при помощи отдельно разработанного приложения. Благодаря новой системе ALTA полностью автоматизировала и оцифровала цикл обработки заказов: приём, отгрузка, формирование партий. Местоположение, статус работы и потенциальные задержки отображаются мгновенно.
Усиление безопасности сотрудников на производстве в Empower Oyj
На складе или в цехе не всегда можно расслышать приближение автопогрузчика, но столкновение с ним человека может привести к серьезным последствиям. Снабдив метками погрузчики и рабочих, процент столкновений можно свести к минимуму.
Позиционирование в реальном времени позволило компании прогнозировать движение людей и механизмов, предупреждать работников, а при необходимости — останавливать движение машины.
Позиционирование шахтёров в Dedeman Mining
В 2014 году катастрофа на турецкой шахте Soma Mining унесла жизни 301 человека. Правительство обязало предприятия отрасли оснастить все предприятия отрасли эффективными системами позиционирования в реальном времени.
Шахты Dedeman Mining оборудованы локаторами для определения местоположения в реальном времени, каждый из которых подключен к управляющему компьютеру в защищенном шкафу с помощью бронированных волоконных кабелей. 500 небольших Bluetouth-меток вмонтированы прямо в фонари на касках шахтёров. Потенциально, метки могут также собирать и передавать самые разные данные о состоянии окружающей среды и человека.
Умный склад и позиционирование персонала в Fujitsu
7 000 кв. м, примерно 15 000 заказов на отгрузку ежедневно, 12 000 видов запчастей. Для оптимизации склада мировому производителю микроэлектроники требовалось более эффективное управление потоками сотрудников.
Система позиционирования сотрудников Fujitsu анализирует неэффективные рабочие процессы. Данные о перемещении людей собираются автоматически в реальном времени. Компания сократила сроки и повысила качество производства с помощью аналитики, полученной в результате применения системы позиционирования.
Позиционирование в медицине
Применение систем определения местоположения в сфере здравоохранения обеспечивают массу возможностей — от улучшения качества ухода за пациентами до оптимизации процедур неотложной помощи и спасения жизни.
Например, встроенная в браслет метка сразу автоматически оповещает о падении пациента на пол в палате или в коридоре.
Клиническая больница университета Фукуи (Япония)
Прикосновение — один из главных путей заразиться. Системы позиционирования эффективно повышают безопасность пациентов и персонала больниц. В одном из ведущих медучреждений Японии такая система отслеживает применение медперсоналом стандартных антисептических средств.
Койки пациентов позиционируются при помощи Bluetouth-меток. При помощи таких же меток на форме персонала система ненавязчиво предупреждает сотрудников, когда они переходят от одного пациента к другому, не обработав руки антисептиком.
Системы высокоточного определения местоположения в реальном времени в спорте
Командный спорт — лучший пример пользы применения системы позиционирования за счет новых данных. Например, в футболе метки диаметром 2 см можно крепить на форму игроков и получать информацию о скорости, дистанции, ускорении, пересечении линии и т.д.
Ещё больше данных получают при установке метки в мяч, так как становится возможным отследить его скорость, количество точных передач, время владения и много другое.
Системы позиционирования помогают обеспечивать безопасность, корректировать тренировки, прокачивать отдельные навыки и производить недоступную ранее мгновенную аналитику и данные для медиа, беттинга, цифровых игровых сервисов, скаутинга. Системы позиционирования уже вовсю применяется даже в таком высокоскоростном спорте, как хоккей.
Bluetouth-трекинг хоккеистов и шайб — революционная система позиционирования объектов, в создании которой мы принимали участие в рамках работы над проектом Континентальной хоккейной лигой. Тренерам больше не нужно перематывать моменты видео во время перерывов: данные о действиях команд и отдельных игроков поступают мгновенно, записываются и кластеризуются по ключевым моментам автоматически.
Настоящим прорывом стало размещение меток непосредственно внутри шайб, что даёт возможность предсказания траектории полёта шайбы и исхода матча.
Медиа и букмекерские компании получили возможность создавать новые продукты для фанатов. Возможно, скоро можно будет делать ставки даже на пульс хоккеистов при вбрасывании.
Безопасность и рост результатов пловцов в умном бассейне Nagi
Безопасность в воде всегда вызывает беспокойство — особенно, когда это касается детей. Bluetouth-метка на браслете пловца настраивается на его уровень умений и предупредит, если он пробыл под водой слишком долго.
Метки также позволяют тренерам видеть динамику и отдельные показатели эффективности пловцов в реальном времени, помогая добиваться лучших результатов.
Системы позиционирования для усиления безопасности
Защита здоровья и безопасность — ключевые факторы продуктивной работы на любом крупном предприятии. Системы позиционирования позволяют создавать новые способы обеспечения безопасности в штатных и чрезвычайных условиях, организовывать интеллектуальный контроль доступа, вовремя и эффективно эвакуировать людей.
Социальная дистанция в ILR Industries
Как и многие другие компании, крупное инновационное производство в Онтарио стремится обеспечить безопасность персонала и поддержать показатели бизнеса во время пандемии. Сотрудники боялись заболеть на работе и руководству требовалось эффективное решение предотвращения заражений.
Реализованная на предприятии система позиционирования предупреждает работников, если они не соблюдают социальную дистанцию и позволяет повышать эффективность рабочих процессов, пересмотренных после внедрения системы позиционирования.
Инфраструктура систем позиционирования объектов
Получает, обрабатывает и хранит информацию от локаторов и персональных меток. Также, часто доступ к базе данных о позиционировании предоставляется для сторонних сервисов, таких как внутренние ERP, MES или WMS системы.
Принимает или передает сигнал метки в зависимости от принципа работы системы для определения её местоположения в пространстве.
Носимое устройство с помощью которого система определяет местоположение объекта под наблюдением. Фиксируется на одежде, может быть встроена в оборудование. В ряде случаев есть возможность использование смартфона в качестве метки, при этом в целевом мобильном приложении необходимо использовать специальный программный код.
Аналитическое ПО для обработки, хранения и визуализации статистических данных.
Какие технологии используют в системах позиционирования
Внутренняя навигация с использованием Wi-Fi достигает точности 5-15 метров. Можно определять положение устройств с активированным Wi-Fi — смартфонов, планшетов и меток.
UWB — Ultra-wide band
Технология позиционирования ближнего действия. Точность может быть сантиметровой, что значительно выше Wi-Fi. Малое время задержки помогает мониторить достаточно быстро движущиеся объекты.
RFID — Radio Frequency IDentification
Положение отслеживаемых меток определяется только зонально. Можно видеть посещение объектом определенных зон.
Отличительной особенностью таких систем – легкая масштабируемость благодаря тому, что этот стандарт используется большинством мобильных и стационарных устройств по умолчанию.
Решения, работающие на принципе измерения угла прихода Bluetouth сигнала для определения местоположения позволяют добиться точности UWB при значительно большей зоне покрытия одного локатора.
Батарейка метки на основе Bluetouth Low Energy работает до двух лет, что существенно сокращает расходы на поддержание работоспособности системы.
Развитие систем позиционирования
Определение местоположения предметов и людей в реальном времени — актуальный запрос самого времени. Применение систем мгновенного позиционирования будет расти лавинообразно.
В следующей статье расскажем о реализованных нами решениях на технологии Bluetouth. С удовольствием отвечу на ваши вопросы в комментариях.