Диссертация (1090554), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Этот комплекс реализует наборфункций, достаточный для решения задачи локального позиционирования с высокой точностью.Апробация результатов исследований производилась на защищѐнном промышленном объекте ПАО «Газпром» Московского региона. Задачей апробациибыло построение системы определения местоположения сотрудников и посетителей внутри одного из офисных зданий. Результаты испытаний разработанногопрограммного комплекса и алгоритмов позиционирования, положенных в его основу, показали их эффективность при решении задачи высокоточного локальногопозиционирования в реальных условиях.Программная реализация разработанных методов локального позиционирования объектов была использована в составе программно-аппаратного комплексамониторинга местоположения объектов, разработанного компанией ООО «Гардлайнер».
Применение разработанных в рамках диссертации алгоритмическихсредств позволило увеличить точность позиционирования объектов, достигаемуюс использованием данного программно-аппаратного комплекса, за счѐт снижениязначений средней и максимальной ошибок не менее, чем на 15%.В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.В приложении представлены акты об использовании результатов диссертации.18ГЛАВА 1. Обзор беспроводных технологий и методов, применяемых при решении задачи локального позиционирования объектов1.1. Классификация систем позиционированияСистемы позиционирования предназначены для определения местоположения объектов в пространстве.
Такие объекты называются объектами позиционирования. Задача оценки их местоположения решается с использованием однойили нескольких беспроводных технологий, носящих название технологий позиционирования. Непосредственная оценка производится при помощи одного илинескольких математических методов, именуемых в дальнейшем методами позиционирования.Большинство систем позиционирования также оперируют понятием «базовая станция». Этим термином в литературе обозначаются источники сигнала, которые могут значительно отличаться в зависимости от применяемой технологиипозиционирования. Например, при использовании спутниковой навигации базовыми станциями являются спутники, а при использовании технологии Wi-Fi подними понимаются беспроводные точки доступа (WAP – Wireless Access Point).Системы позиционирования можно классифицировать по различным параметрам, но главными характеристиками, по которым их принято различать, являются [1]:1) Назначение системы;2) Масштаб зоны обслуживания (или, иначе, площадь территории позиционирования);3) Применяемые технологии и методы позиционирования.Назначение системы позиционирования определяется в зависимости от перечня решаемых ею задач.
В зависимости от этого принято выделять три категории систем – системы общего назначения, специальные системы (или системы военного назначения), а также промышленные (производственные) системы. Сложность классификации систем по данному признаку заключается в том, что многие19системы позиционирования по своим задачам относятся сразу к нескольким категориям. Например, системы спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС являютсяодновременно системами общего и специального назначения [2].В зависимости от масштаба зоны обслуживания системы позиционированияделятся на глобальные, региональные, зональные и локальные. Данные о площадитерритории систем каждого типа приведены в таблице 1.1.Таблица 1.1Классификация систем позиционированияпо масштабу зоны обслуживанияТип системыГлобальныеРегиональныеМасштаб зоны обслуживанияВся территория ЗемлиГород, республика, государство.
Площадь до 300 тыс.квадратных километровЗональныеНебольшиенаселѐнныепункты,территориикрупныхпроизводственных предприятий. Площадь от нескольких гектаров до десятков квадратных километровЛокальныеОткрытые или закрытые территории ограниченной площади– здания, сооружения, шахты, тоннели, складские зоныТехнологии позиционирования, применяемые в системах разного масштаба,могут существенно отличаться.
Так, например, глобальные системы позиционирования GPS и ГЛОНАСС построены на базе технологии спутниковой навигации[3]. Применение этой технологии, при решении задачи локального позиционирования практически невозможно. Причина этого заключается в значительном затухании спутникового сигнала в стенах и перекрытиях зданий. Справедливо и обратное. Технологии систем локального позиционирования (Wi-Fi, Bluetooth,nanoLOC и др.) неприменимы в задачах глобального позиционирования в связи сих малым радиусом действия. Подробная информация о том, какие технологиииспользуются в системах различных типов, приведена в таблице 1.2 (по данным[4, 5, 6]).20Таблица 1.2Технологии позиционирования систем разного масштабаСистемы позиционированияБеспроводныетехнологииСпутниковаянавигацияСтанциирадиолокацииМобильнаясотовая связьТранкинговаярадиосвязьМикросотоваяГлобальные РегиональныеЗональныеЛокальные++++++++Радиосети Wi-Fi++Радиосети ZigBee++++связь (DECT)РадиосетиnanoLOCРадиосетиBluetooth+Набор используемых технологий определяет список допустимых методовпозиционирования.
Методы, применяемые в радиосетях, приведены в таблице 1.3.21Таблица 1.3Методы позиционирования, применяемые в радиосетяхНазваниеОписаниеReceived Signal Strength Оценка местоположения строится на основании мощ(RSS)Angle of Arrival (AoA)ности сигналов базовых станцийПозиция объекта определяется в пределах площадитреугольника, получаемого в результате пересеченияосей диаграмм направленности антенн трѐх ближайших базовых станций (аналог метода триангуляции)Time of Flight (ToF)Положение определяется временем прохождения сигнала с линейно-частотной модуляцией от объекта добазовой станцииTime of Arrival (ToA)Позиция оценивается по разнице между временем отправки сигнала объектом и временем получения егобазовой станцией. Требуется строгая синхронизациявремени между отправителем и получателемTime Difference ofМестоположение определяется исходя из отличияArrival (TDoA)времени доставки сигнала, отправленного объектом,до нескольких базовых станций.
Требуется синхронизация времени только между базовыми станциямиRound Trip Time (RTT)Базовая станция отправляет сигнал объекту, после чего дожидается его ответа. Позиция оценивается пообщему времени доставки и получения сигналаLocation PatterningПоложение объекта определяется на основании распо-Techniques (LPT)знавания ранее записанных образов радиосигналов.Часто применяется совместно с методом RSSInertial MeasurementПрименяются методы инерциальной навигации с ис-Unit (IMU)пользованием датчиков движения объекта – акселерометра и гироскопа22Как видно из данных, представленных выше, системы локального позиционирования выделяются среди остальных специфичным набором решаемых задачи технологий позиционирования.
Одной из главных задач таких систем являетсяопределение положения объектов в замкнутых пространствах зданий и сооружений. Решение этой задачи накладывает существенные ограничения на набор используемых беспроводных технологий и методов позиционирования [7, 8]. Впервую очередь это, как уже было отмечено ранее, связано с наличием стен и перекрытий, значительно ослабляющих сигнал. Во-вторых, требования к точноститаких систем зачастую превышают аналогичные требования к системам другихтипов (в ряде случаев необходимо обеспечивать точность до нескольких метров).И в-третьих, такие системы в большинстве случаев строятся на базе технологий,которые изначально не предназначались для решения задач позиционирования.
Вчастности, основной задачей технологий Wi-Fi и Bluetooth является не определение местоположения относящихся к ним объектов, а передача данных между ними [9, 10].Далее методы и технологии локального позиционирования рассматриваются более детально.231.2. Технологии локального позиционированияГлавными беспроводными технологиями, применяемыми при решении задачи локального позиционирования, согласно данным, представленным в таблице1.2, являются:1) Сети микросотовой связи DECT;2) Радиосети Wi-Fi;3) Радиосети Bluetooth;4) Радиосети ZigBee;5) Радиосети nanoLOC.Основные характеристики указанных технологий приведены в таблице 1.4(по данным [11, 12, 13]).Таблица 1.4Характеристики технологий локального позиционированияТехнологияDECTWi-FiIEEEСтандартDECT802.11a/b/g/nОсновноеТелефоннаяприменениесвязьЧастота, ГГцМаксимальнаяскоростьДальность, мНоминальнаямощность1,932 Кбит/сЛВС2,45> 100Мбит/сBluetoothZigBeenanoLOCIEEEIEEEIEEE802.15.1802.15.4802.15.4aПередачаСети датчиков, мони-данныхторинг, управление0,8982,40,9152,42,41 Мбит/с250 Кбит/с2 Мбит/с> 10010010 – 1001001010 мВт100 мВт0 – 100 мВт1 мВт1 мВт24Все перечисленные технологии до их использования в системах позиционирования предназначались для построения сетей передачи данных разного назначения – Wi-Fi является общепризнанным стандартом построения беспроводныхлокальных вычислительных сетей (WLAN), DECT является наиболее популярнымстандартом беспроводной телефонной связи, а ZigBee, nanoLOC и Bluetooth являются примерами технологий организации беспроводных персональных сетей(WPAN) [14].
Несмотря на это, все указанные технологии успешно применяются взадачах позиционирования объектов и, благодаря используемым частотным диапазонам и уровню испускаемой мощности, могут использоваться для организациисети внутри зданий, закрытых складских помещений и производственных территорий без получения частотного решения Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) [15, 16]. Основные преимущества и недостатки каждой из указанных технологий приведены в таблице 1.5 (данные взяты из [17, 18]).Таблица 1.5Преимущества и недостатки технологий локального позиционированияТехнологияDECTПреимуществаВозможностьсуществующейНедостаткииспользования Ограниченныевозможностибеспроводной масштабированиясистемысети для задач позиционирова- (требуется проводная связь донияWi-Fiкаждой базовой станции)1) Возможность использования 1) Необходимость увеличениясуществующейбеспроводной числа базовых станций длясети для задач позиционирова- обеспеченияния;требованийкточности;2) Большое количество поддер- 2) Длительная и сложная проживаемых устройств – ноутбу- цедура настройкики, смартфоны, носимые Wi-Fiметки и т.д.25ТехнологияBluetoothПреимуществаНедостатки1) Большое количество поддер- 1) Ограниченное количествоживаемых устройств;поддерживаемыхтопологий2) Компактность и низкая стои- сети (только «точка-точка» имость Bluetooth модулей«точка-многоточка»);2) Низкая точность позиционирования (не более 10 м)ZigBee1) Малое энергопотребление;1) Закрытость протокола для2) Повышенная отказоустойчи- стороннихвость за счѐт ячеистой тополо- (протоколгии сетиразработчиковдоступентолькочленам альянса ZigBee);2) Необходимость построенияотдельной беспроводной сетипозиционированияnanoLOC1) Малое энергопотребление;1) Необходимость построения2) Открытость протокола для отдельной беспроводной сетивзаимодействия с другими си- позиционирования;стемами;2) Небольшой радиус действия3) Высокая отказоустойчивость, базовых станцийобусловленная ячеистой топологией сетиКак видно из таблицы 4, каждая из технологий локального позиционирования имеет свои преимущества, но наибольшее распространение для применения взадачах локального позиционирования на практике получила технология Wi-Fi[19].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
