Системы позиционирования в режиме реального времени

Содержание

Введение………………………………………………………………2 
Определение RTLS, RTLS и GPS……………………………………2 
Характеристики RTLS………………………………………………..4 
Типы RTLS. Радиочастотные техологии……………………………5 
Позинивание в сотовых и WiFi сетях………………………………..6 
Технология ZigBee, технология NFER, Технология UWB………... 7 
Cпутниковые радионавигационные системы GPS, ГЛОНАСС……8 
Ультразвуковые и инфракрасные системы……...…………………..9 
Идентификаторы (RFID) пассивные и активные……...…………...10 
Сравнительные характеристики типов RTLS………………………11 
Список источников…………………………………………………...12 
 
 
 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

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.

   RTLS (сокр. от англ. Real-time Locating Systems — система позиционирования в режиме реального времени) — автоматизированная система, обеспечивающая идентификацию, определение координат, отображение на плане местонахождения контролируемых объектов в пределах территории, охваченной необходимой инфраструктурой. RTLS накапливает, обрабатывает и хранит информацию о местонахождении и перемещениях людей, предметов, мобильных механизмов и транспортных средств, с целью мониторинга технологических и бизнес-процессов, сигнализации об отклонениях от регламентов, а также с целью ретроспективного анализа тех или иных процессов и ситуаций.  
Контролируемые системой объекты — люди, оборудование, транспортные средства, подвижные механизмы, инструменты, грузы, ценные и опасные предметы и др. снабжаются метками RTLS. Контролируемая системой территория оборудуется инфраструктурой RTLS. В процессе работы метки обмениваются с входящими в инфраструктуру пакетами данных и в ходе обмена измеряют расстояния до них. 
GPS (англ. Global Positioning System — система глобального позиционирования, читается Джи Пи Эс) — спутниковая система позиционирования, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположениe во всемирной системе координат WGS 84. Позволяет в любом месте Земли (не включая приполярные области), почти при любой погоде, а также в космическом пространстве вблизи планеты определить местоположение и скорость объектов. Спутниковые системы GPS, ГЛОНАСС, Галилео и другие – это радиочастотные системы, предназначенные для навигации и позиционирования в глобальном масштабе. Они давно доказали свою полезность и эффективность. Но их недостаток в том, что сигнал со спутника не всегда может дойти до приемника. Практически невозможно определить свое местонахождение в помещении или под навесом. Качество позиционирования может ухудшиться под пологом листвы, среди плотной высотной застройки или даже из-за сильной облачности. Эти факторы существенно ограничивают сферу применения спутниковых систем.

Напротив, системы RTLS, как правило, имеют меньшую стоимость, а главное, позволяют воспользоваться преимуществами позиционирования не только на открытом воздухе, но и внутри помещений, тем самым открывая широкое и разнообразное поле применения этой прогрессивной технологии.

В некоторых случаях оправдано (и возможно) использование обеих технологий. Интегрированная метка, которая может одновременно работать в системах РТЛС и ГЛОНАСС, позволяет осуществлять непрерывное позиционирование на огромных территориях, при этом не вкладывая неразумно больших денег в инфраструктуру RTLS. Это актуально для различных видов транспорта и промышленных механизмов, для людей, передвигающихся на больших территориях (охранников, ремонтных рабочих, обходчиков и т.п.).

            К основным характеристикам RTLS можно отнести: 
1) Точность позиционирования — точность определения координат контролируемого объекта. Для различных технологий RTLS, характерная точность позиционирования составляет: от нескольких десятков метров (для WiFi), до нескольких сантиметров (для ультразвуковых). 
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. 
2) Достоверность позиционирования — в реальных условиях точность позиционирования в значительной мере зависит от влияния помех и многолучевого затухания (отраженных сигналов), поэтому говоря о точности позиционирования RTLS, обычно указывают и вероятностную характеристику достоверности. Например, «точность позиционирования 1 метр с достоверностью 90 %», то есть точность будет обеспечиваться в 90 % измерений. 
   3) Периодичность опроса — для обеспечения позиционирования в режиме реального времени промежуток времени между замерами должен быть таким, чтобы объект, двигаясь с характерной для него скоростью, успевал проходить расстояние не больше удвоенной точности позиционирования. 
  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. 
    Среди используемых технологий можно выделить следующие основные группы:

радиочастотные технологии,

спутниковые технологии навигации и позиционирования (GPS, ГЛОНАСС),

технологии локального позиционирования (инфракрасные и ультразвуковые),

радиочастотные метки — RFID

 
   Радиочастотные технологии 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. 
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. 
    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. 
ZigBee  – это открытый стандарт беспроводной связи для различных систем автоматизации: «Умный дом», «Интеллектуальное здание», системы управления технологическими и бизнес процессами, системы безопасности и так далее. Технология ZigBee  позволяет создавать самоорганизующиеся и самовосстанавливающиеся беспроводные сети с автоматической ретрансляцией сообщений. Сети ZigBee при относительно небольших скоростях передачи данных обеспечивают гарантированную доставку пакетов и защиту передаваемой информации. Расстояния между узлами сети составляют десятки метров при работе внутри помещений и сотни метров на открытом воздухе. За счет ретрансляций зона покрытия сети может значительно увеличиваться. 
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. 
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.

    Cпутниковые радионавигационные системы GPS, ГЛОНАСС и подобные,  широко используются, cпециально для целей навигации, в частности позиционирования. 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. 
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). 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. 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. К технологиям локального позиционирования относятся, в том числе, системы контроля доступа. 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. 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). 
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. 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 RFID используются на предметах (паллетах, вагонах, контейнерах), которые необходимо отслеживать с относительно больших расстояний (например, на сортировочной площадке). Обычно активные RFID работают 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).

  Важно понимать, что, описанные выше техногогии, отличаются по целому спектру характеристик, исходя из которых находят своё применение на практике. Сравнительные характеристики описанных RTLS приведены в таблице:

 

 

                                                      Заключение 
Основное назначение системы позиционирования в режиме реального времени – обеспечить контроль за перемещениями людей и/или предметов. Круг основных задач при использовании RTLS: повышение эффективности рабочих процессов и контроль их выполнения; усиление защиты и контроля охраняемых зон и объектов, а также предотвращение и ликвидация последствий ЧП. Практическое же применение может быть самым широким, в зависимости от отрасли и конкретных потребностей предприятия. Благодаря своим возможностям системы позиционирования получили быстрое развитие. К настоящему времени это вполне сложившаяся самостоятельная область техники, охватывающая целый спектр технологий – со своими стандартами, ноу-хау, глобальной производственной и сервисной инфраструктурой. Причем, это одна из наиболее быстро растущих отраслей. Объем внедрений RTLS в мире ежегодно растет на треть.

Список источников 
http://www.ixbt.com Система GPS. Взгляд изнутри и снаружи 
http://www.rtlsnet.ru Сетевая инфраструктура системы РТЛС 
              Технологии позиционирования в реальном времени 
http://habrahabr.ru Технологии идентификации и

позиционирования в режиме реального времени 
http://www.cnews.ru/ Позиционирование в реальном времени:

на что способна российская система 
http://ru.wikipedia.org RTLS