Методы измерения расстояний и определения координат меток в UWB RTLS

(По материалам презентации UWBRTLS на международном форуме. Апрель 2015.)

В современных UWB RTLS с высокой частотой повторения импульсов применяется два способа позиционирования: однонаправленное позиционирование методом трилатерации с использованием разницы во времени прибытия (TDoA) и путем расчета координат метки по расстояниям от метки до анкеров с известными координатами, полученным двунаправленным измерением дальности по времени распространения сигнала (ToF).

По умолчанию в UWB RTLS предусматривается однонаправленное позиционирование, когда каждая метка в системе периодически отправляет в эфир короткое сообщение – блинк-посылку, а система определяет координаты меток по характеристикам радиосигналов, принимаемых несколькими узлами инфраструктуры с известными координатами – анкерами. Координаты могут рассчитываться на основе уровня принимаемого сигнала, по углу прихода сигнала либо с использованием разницы во времени прибытия (TDoA). Именно последний метод, а именно метод позиционирования трилатерацией с использованием разницы во времени прибытия (TDoA) получил наибольшее распространение как достаточно точный и наименее затратный (см. рисунок).


Метка посылает сигнал, получаемый тремя приемниками с известными координатами в момент времени ToA (свой для каждого приемника). Выразив разницу времени между моментами прихода сигнала на любую пару приемников через координаты приемников и метки получим систему из двух уравнений:




Это уравнения двух пересекающихся гипербол с меткой в точке пересечения. Решение системы дает координаты метки х и у.

К преимуществам однонаправленного позиционирования можно отнести простоту меток (т.к. нужен только передатчик) и анкеров (нужен только приемник). Кроме того, использование только коротких блинк-посылок снижает энергопотребление. Наконец, короткие блинк-посылки меньше занимают эфир, что позволяет увеличить число меток на ограниченной территории.

Однако использование разницы во времени прибытия (TDoA) требует качественной синхронизации анкеров, т.к. от этого зависит точность позиционирования.

В качестве дополнительного режима в UWB RTLS предусматривается двухсторонняя связь меток с узлами инфраструктуры (или другими метками), в частности измерение расстояния между ними по времени распространения радиосигнала (Time of Flight – ToF). В двухсторонней связи используются более длинные сообщения, а метки и анкеры должны снабжаться как приемниками, так и передатчиками. Зато метод измерение расстояния по ToF обеспечивает наивысшую точность (10 см) и не требует специальной синхронизации анкеров.

Последовательность обмена пакетами в процессе измерения расстояния между меткой и узлом инфраструктуры показана на следующей диаграмме:




В процессе обмена фиксируются метки времени, показанные на диаграмме. Расстояние между меткой и узлом инфраструктуры определяется по формуле:

R = ¼ c (2TRR - 2TRT - TPT + TPR + TFR - TFT), где с – скорость света.

Аналогично может быть измерено расстояние между двумя метками.

Координаты метки x, y вычисляются по измеренным расстояниям до трех анкеров с известными координатами методом трилатерации.