Использование систем позиционирования людей и материальных объектов – одно из актуальных направлений совершенствования технологических и бизнес процессов в самых разных отраслях деятельности. От мониторинга передвижения пациентов, персонала и оборудования в больницах – до контроля местонахождения рабочих, сборочных единиц и инструмента на конвейере. От обнаружения пострадавших при пожаре – до наблюдения за поведением животных на свободном выпасе с целью выявления заболевших.

Разнообразие областей применения и относительная «молодость» направления породили разнообразие технологий позиционирования. А заодно и названий этой технологии: позиционирование, мониторинг, отслеживание, визуализация, трекинг и тому подобное.

Для различных приложений требуется разная точность позиционирования в пространстве и во времени. Сотовым операторам и провайдерам WiFi достаточно знать, что человек находится в определенной зоне обслуживания, чтобы предоставить ему услуги, актуальные именно в этой зоне. Для охранных структур важно знать, что человек зашел на охраняемый объект или вышел из него. В ряде случаев необходимо знать, что человек или предмет находится в конкретном помещении. Но во многих приложениях (в энергетике, промышленности, здравоохранении) требуется определять местонахождение человека или предмета с максимальной разумной точностью. Разумная точность – точность, соизмеримая с размерами объекта. Нет смысла определять местонахождение человека или, например, компьютера точнее, чем до одного метра. А паллеты с комплектующими на линии сборки микроэлектроники требуется позиционировать на порядок точнее.

Аналогично обстоит дело с позиционированием во времени. Местоположение грузов на складе достаточно определять, когда в них возникает необходимость или при инвентаризации – по запросу. Но во многих приложениях требуется знание местонахождения в каждый момент времени (в реальном времени). Для этого промежуток времени между замерами должен быть таким, чтобы объект, двигаясь с характерной для него скоростью, успевал проходить расстояние не больше удвоенной точности позиционирования. Например, чтобы обеспечить позиционирование в реальном времени с точностью один метр человека, имеющего характерную скорость перемещения 1,5 метра в секунду (5,4 км/час), замеры надо проводить с периодичностью не менее одного раза каждые 1,3 секунды.

Основные используемые для позиционирования группы технологий – это:

• радиочастотные технологии,
• спутниковые технологии навигации (GPS, ГЛОНАСС),
• технологии локального позиционирования (инфракрасные и ультразвуковые),
• радиочастотные метки – RFID.

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 другие). 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.

Системы контроля и управления доступом – СКУД

Первыми и долгое время единственными приложениями, где, так или иначе, определяется местонахождение людей и предметов, стали системы контроля и управления доступом людей и транспорта в охраняемые зоны и помещения – СКУД. Эти системы позволяют  упорядочить и разграничить доступ в помещения на объектах с разнообразными требованиями безопасности или различной спецификой работы. В целом система СКУД помимо обеспечения безопасности позволяет осуществлять обширный контроль соблюдения режима работы сотрудниками и получать данные о прибытии, убытии, ранних уходах, опозданиях и т.д. (учет рабочего времени).

Система контроля доступа обычно состоит из специализированного оборудования – контроллеров, промежуточных панелей, считывателей, карт доступа и исполнительных устройств, а также программного обеспечения, установленного на сервере СКУД. Первоначально для идентификации людей и транспортных средств применялись пластиковые карты, аналогичные банковским. На смену им приходят бесконтактные радиочастотные карты – идентификаторы (RFID), как пассивные, так и активные. При работе с пассивными RFID считыватель генерирует электромагнитное излучение определенной частоты, и при внесении карты в зону действия считывателя это излучение через встроенную в карте антенну запитывает ЧИП карты. Получив необходимую энергию для работы, карта пересылает на считыватель свой идентификационный номер. Активные RFID работают от встроенного автономного источника питания – аккумулятора. Однако, радиус действия считывателей RFID обычно не превышает одного метра и о местонахождении человека можно знать только, находится он в охраняемой зоне или нет. Для целей СКУД этого обычно достаточно, но для большинства других применений требуется более детальная информация, причем в режиме реального времени. К тому же, стоимость СКУД достаточно высока.

Спутниковые радионавигационные системы GPS, ГЛОНАСС и другие

Специально для целей навигации, в частности позиционирования созданы и широко используются спутниковые радионавигационные системы GPS, ГЛОНАСС и другие. Для существующих спутников GPS характерна погрешность позиционирования 6 метров. Новые, запускаемые в настоящее время спутники следующего поколения будут способны определять местоположение, как ожидается, с точностью не менее 60-90 см.

Общим недостатком использования 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. Хотя надо отметить, что благодаря более высокому наклону орбит спутников ГЛОНАСС (около 65 градусов) эта система хорошо работает на всей территории России.

Помимо всего прочего стоимость таких систем довольно высока.

Позиционирование в сотовых сетях

Исторически одной из первых технологий позиционирования стало позиционирование в сотовых сетях. Это объясняется как широким распространением (миллиарды абонентов во всем мире), так и относительной простотой первоначально применявшегося метода Cell Of Origin – по координатам соты, к которой подключен абонент. На базовых станциях сети устанавливается соответствующее оборудование, и абоненту не надо покупать новый телефон. Однако точность позиционирования при таком методе определяется радиусом действия соты. И если для так называемых «пикосот» она составляет 100-150 метров, то в большинстве случаев это километр и более.

Более точные методы определения координат основываются на измерении данных, полученных от нескольких ближайших к телефону базовых станций.

Метод Angle of arrival – по направлению на абонента позволяет вычислить приблизительное местонахождение в пределах площади, образованной пересечением секторов обслуживания антенных решеток (при частотном планировании в одной соте используется несколько – от трех до шести секторов, направленных в разные стороны). При этом чем больше секторов, тем меньше угол каждого из них, а следовательно, площадь пересечения секторов соседних сот уменьшается, а точность определения координат увеличивается. Обычно это 100-200 метров.

Метод Time of arrival основывается на измерении времени прохождения сигнала от мобильного терминала до трех ближайших базовых станций. Чтобы добиться требуемой точности измерения, необходимо синхронизировать базовые станции по времени с помощью атомных часов либо посредством сигналов со спутника GPS. Все данные через сеть оператора связи поступают в вычислительный центр, где местонахождение абонента устанавливается с точностью около 100 м.

Гибридный метод мобильного позиционирования подразумевает использование мобильного телефона, дополненного GPS. Технология опирается на действующую систему GPS, что существенно усложняет всю систему. Система обеспечивает точность 15-50 м, но в городских условиях ее применение затруднено по причине многолучевого распространения сигнала.

На практике используются и другие, фирменные технологии:

• Mobile Positioning System (Ericsson) – точность 100 м;
• RadioCamera™ – точность 50 м;
• SnapTrack™ (Wireless Assistant GPS) – точностьдо 15 м;
• Cursor™ (CPS) – точность 50 м;
• Finder (CellPoint) – точность 75 м.

Эти решения различаются как по предоставляемому сервису, так и по цене (чем точнее, тем дороже).

Решения, основанные на WiFi

Одна из причин довольно быстрого распространения систем позиционирования, основанных на использовании технологий WiFi, как и в случае с сотовыми сетями, – их широкое распространение. Поставки приборов, оснащенных WiFi, достигли в 2011 году 1,2 млрд. штук, в том числе 513 млн. смартфонов и 230 млн. компьютеров. В 2015 году будет продано 2 млрд. приборов, оснащенных WiFi.

Наиболее простым способом позиционирования в сетях WiFi, как и в сотовых сетях, – по факту подключения к конкретной базовой станции. Такие системы используются обычно для предоставления конкретного вида услуг, в зависимости от типа и местонахождения прибора. Радиус действия точек доступа WiFi составляет от 30 до 200 метров, в зависимости от конкретного исполнения. Соответственно, такова же и точность позиционирования.

Для повышения точности позиционирования применяется измерение параметров радиосигнала – мощности, времени распространения сигнала (времени, необходимого радиосигналу, чтобы преодолеть расстояние от источника до приемника) или направления (угла) источника относительно приемника.

Для позиционирования используется сервер. Сервер взаимодействует с прибором и сетью, а затем рассчитывает местонахождение прибора либо передает необходимую для расчета информацию централизованному сервису (например, Google).

Тем не менее, точность позиционирования даже в системах с применением специальных расширений WiFi, относительно невысока и составляет в идеальных условиях 3-5 метров, в реальности 10-15 метров. Для большинства приложений такой точности недостаточно.

Системы локального позиционирования

К системам локального позиционирования относят ультразвуковые и инфракрасные системы. Они работают на расстояниях от 3 до 10 метров. 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).

Инфракрасное позиционирование

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. Недостатки: невысокая относительная точность и помехи от солнечного света. ИК лазер повышает дальность и точность измерений, но обходится дороже. Точность позиционирования составляет до 10 сантиметров

Ультразвуковое позиционирование

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 трех сантиметров, 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.

Системы позиционирования с использованием радиочастотных идентификаторов (RFID) – меток

Работа пассивных RFID описана выше в разделе, посвященном СКУД.

Областью применения пассивных RFID являются системы автоматизации процессов, где традиционно использовались штрих-коды и магнитные карточки – распознавание товаров и грузов, опознание людей в СКУД и т.п.

Активные RFIDиспользуются на предметах (паллетах, вагонах, контейнерах), которые необходимо отслеживать с относительно больших расстояний (например, на сортировочной площадке). Обычно активные RFIDработают на частоте 455 МГц, 2,4 ГГц или 5,8 ГГц, а радиус считывания составляет от 20 до 100 метров.

В общих чертах, существуют два типа активных меток: транспондеры и радиомаяки. Транспондеры включаются, когда получают сигнал от считывателя. Они применяются в автоматизированных системах оплаты проезда, на контрольно-пропускных пунктах, въездных порталах сортировочных дворов и в других подобных системах.

Радиомаяки применяются в системах позиционирования в реальном времени, где определяется точное местонахождение объекта. В таких системах радиомаяк излучает сигнал с уникальным идентификационным кодом по команде или с заданной периодичностью (это может быть каждые три секунду или раз в день, в зависимости от того, как часто необходимо получать данные о местонахождении объекта). Сигнал маячка принимается как минимум тремя антеннами, расположенными по периметру участка, на котором отслеживаются объекты.

Цена активных меток (RFID) составляет от 10 до 50 долларов, в зависимости от применяемой технологии позиционирования, объема памяти, времени действия батареи, прочности материала, а также от того, имеет ли метка какие-либо датчики.

Термин «активные RFID» – весьма обобщенный, и охватывает широкий спектр самых разнообразных изделий. Практически любая радиочастотная система позиционирования использует активные RFID для идентификации объектов, подлежащих позиционированию. Поэтому область применения и характеристики активных RFID определяются в каждом конкретном случае применяемой технологией позиционирования и конструкцией RFID (метки).

Радиочастотное позиционирование по технологии «ближнего поля»

NFER – 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. Это явление было открыто Генри Герцем и сформулировано Максвеллом в теории поля.

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. Таким образом, приемник, который может отдельно измерять электрическую и магнитную компоненты ближнего поля и сравнивать их фазы, может измерять расстояние до передатчика.

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 определения расстояния с разрешением 30 см на расстоянии до 300 метров.

Относительно низкая частота метки - передатчика облегчает прохождение радиоволн в сложных производственных средах – такие радиоволны легко огибают препятствия, проникают в проемы, не отражаются. Поэтому технология имеет преимущества в помещениях со сложной конфигурацией и большим количеством препятствий.

Реальные NFER-системы обеспечивают позиционирование с точностью 0,5-1 метр на расстоянии 20-30 метров.

К недостаткам системы относится относительно низкая эффективность антенны. Наиболее эффективна антенна, соизмеримая с длиной волны – обычно это четвертьволновой монополь. В случае NFER размеры такой антенны должны были бы составлять десятки метров, что неприемлемо. Несогласованность антенны требует увеличения мощности передатчика и ведет к относительно большим габаритам и весу меток.

Ультра широкополосная технология – Ultra Wideband (UWB)

Это радиочастотная технология, использующая короткие импульсы с максимально возможной полосой пропускания при минимально возможной центральной частоте. Технология используется в устройствах связи, радиолокации, при определении расстояний и позиционировании.

В отличие от широкополосных радио технологий, имеющих ширину полосы от нескольких сотен килогерц до десятков мегагерц, сверхширокополосные UWB сигналы распространяются на частоте нескольких гигагерц, достигая относительной ширины полосы 25-100%. То есть, их ширина полосы достигает нескольких гигагерц.

В UWB системах это обеспечивается путем передачи импульсоподобного сигнала. Такие сигналы являются по своей природе широкополосными. Действительно, анализ Фурье учит нас, что идеальный импульс (то есть, волна заданной амплитуды и бесконечно малой продолжительности) обеспечивает бесконечную полосу пропускания. В результате передача совсем не похожа на традиционные радиочастотные модулированные синусоидальные волны. Вместо этого они напоминают серию импульсов. Пример индивидуального UWB импульса показан на рисунке.

Время, пикосекунды

Частота, ГГц

Временная развертка (слева) и частотная характеристика (справа) UWB сигнала

Существуют различные варианты UWB технологии. Различается форма импульсов –большинство используют форму, как на рисунке, но существуют и другие подходы. Некоторые компании передают редкие сигналы, используя относительно мощные импульсы – другие посылают сотни миллионов маломощных импульсов в секунду. Одни системы применяют когерентную (последовательную) обработку сигнала, большинство используют не когерентную. Соответственно различаются и характеристики UWB систем разных производителей.

Например, один из вариантов UWB технологии, ориентированный на системы передачи данных и позиционирования, использует низко загруженную циклическую передачу с когерентной обработкой сигнала и типичной частотой повторения 10 МГц. Цикл передачи обычно состоит из пакета от нескольких тысяч до несколько сотен тысяч последовательно передаваемых импульсов. Поскольку передача последовательная, энергия сигнала может распределяться на несколько импульсов, тем самым увеличивая энергию на бит и, следовательно, отношение сигнал/шум (SNR). Независимые коммуникационные каналы устанавливаются псевдослучайным кодированием фазы, позиции и/или частоты повторения последовательности пульсов. Данные могут добавляться к передаче путем дальнейшей модуляции фазы или позиции импульсов. Псевдослучайный код и данные обычно применяются не к отдельным импульсам, а к блокам из многих импульсов. Когерентная обработка увеличивает рабочий диапазон и отношение сигнал/шум.

Преимущество технологии: надежная работа и высокая точность позиционирования даже при наличии отраженных сигналов.

Принципиальные ограничения UWB технологии:

• трудно построить систему с существенной мощностью передачи (типичная мощность передатчика – 50 мкВт, «очень мощного» – 10 мВт);
• ограничения со стороны органов частотного регулирования (в связи с этим системы, как правило, используются в помещениях, где их маломощный шумоподобный сигнал не оказывает влияния на другие системы и даже не детектируется).

Система позиционирования РТЛС

В системе позиционирования РТЛС используется сочетание стандартных технологий.

Для позиционирования применяется технология CSS в соответствии со стандартом ISO24730-5 (линейно-частотная модуляция). В качестве инфраструктуры используется сеть ZigBee 2007 Specification. Основные элементы инфраструктуры – анкеры, закрепленные в точках с известными координатами, относительно которых осуществляется позиционирование. Подробнее о технологиях РТЛС можно прочитать в соответствующих статьях «Технологии позиционирования РТЛС» и «Сетевая инфраструктура системы РТЛС».

Метка периодически посылает так называемые блинки  (короткие широковещательные пакеты). Эти пакеты принимаются анкерами, и таким образом становится известно, какие анкеры в данный момент «видят» метку, кроме того, по этим блинкам синхронизируется передача информации от координатора к метке.

Местоположение меток рассчитывается по результатам измерения метками расстояний до трех и более анкеров. Но, кроме того, для повышения точности и достоверности позиционирования координаты метки уточняются с использованием собственного математического аппарата РТЛС, исходя из знания топологии помещений, где могут находиться объекты, наличия препятствий и так далее. Кроме того, существуют модификации меток со встроенным инерциальным навигатором на недорогих MEMS датчиках (акселерометр, гироскоп, магнетометр), их показания также используются при уточнении координат. Точность позиционирования составляет около одного метра с достоверностью 90% на расстоянии до 30 метров между меткой и любым из анкеров внутри помещений. Достоверность позиционирования также может быть рассчитана.

Транспортная инфраструктура RTLS построена на базе стандартов ZigBee 2007 Specification и IEEE 802.15.4, что позволяет использовать ее не только для управления метками и передачи информации от меток к серверу. При необходимости транспортную сеть РТЛС можно использовать для подключения к серверу различных устройств – датчиков, контроллеров и исполнительных механизмов по стандартному протоколу Zigbee. Транспортная сеть РТЛС имеет самовосстанавливающуюся ячеистую структуру и резервированные шлюзы, что обеспечивает повышенную живучесть сети – способность продолжать работу при выходе из строя любого элемента.

Транспортная сеть РТЛС масштабируется в широких пределах и может покрывать территории в десятки и сотни тысяч квадратных метров, как в помещениях, так и на открытом пространстве.

Используемая ширина полосы составляет 80 MHz, поэтому узкополосные помехи (например, Wi-Fi, Bluetooth и пр.) в диапазоне 2,4 ГГц не влияют на работоспособность системы. В свою очередь, система не влияет на работу других сетей.

Благодаря разделению функций позиционирования и транспорта, а также применению фирменного математического аппарата, повышающего точность и достоверность позиционирования, система позиционирования РТЛС имеет широчайший спектр применений в промышленности, энергетике, горнодобывающей и многих других отраслях.

Сравнение технологий

Сравнительные характеристики рассмотренных технологий позиционирования приведены в таблице: