RTLS: методы определения координат

Сегодня попытаюсь определиться, каким способом в рамках небольшого помещения можно определять координаты тела. Пресловутое тело это мы снабжаем меткой, которая способна отправлять на некоторое расстояние набор дискретных сигналов. Буквально сразу можем оговориться, что скорее всего речь здесь пойдёт об активной радиочастотной метке (Active RFID tag). Определим считыватель, как устройство, воспринимающее сигналы от метки.

Подход I

"Радарный способ", по углу отклонения (angle of arrival).

Решение подсказывают нам военные. Антенна нашего считывателя должна уметь определять, в какой стороне от неё находится метка. Этого можно достичь двумя способами - натыкать на считыватель много-много узконаправленных антенн по кругу и смотреть, на какую из них пришёл сигнал, или же просто вращать одну антенну (как поступают военные) и ждать прихода сигнала, получая таким образом угол a. Также для точного позиционирование нам необходимо определять расстояние от считывателя до метки (b), либо использовать 2 считывателя и по известным двум углам и расстоянию между считывателями рассчитывать положение метки.

Достоинства:

+ простота алгоритма позиционирования

+ при использовании большого количества антенн - высокая скорость.

Недостатки:

- большие затраты на аппаратную часть

- низкая точность позиционирования.

Подход 2

"Недоэхолот", по времени прихода сигнала (Time of Arrival)

Зная время, за которое сигнал от метки доходит до считывателя, можем определить расстояние между ними. Соответственно, если считывателей 3, можно точно рассчитать координаты метки на плоскости, если 4 - в пространстве.

Для того, чтобы посчитать это самое время, нам необходимо знать, когда во времени метка начала посылать сигнал считывателю. Для этого и метку и считыватель необходимо снабдить часами. При этом часы должны быть синхронизированы, а в сигнале от метки должно содержаться время отправления.

Достоинства:

+ Простота алгоритма позиционирования.

Недостатки:

- Сложная аппаратная часть - наличие часов в метке и в считывателе

- Необходимость наличия как минимум 3-х считывателей.

Подход 3

"Мне хватило сил тебя услышать" Определение расстояния по мощности сигнала (Recieved Signal Strength Indication)

Алгоритм расчёта координат будет анологичен предыдущему подходу, а вот расстояние между конкретной меткой и считывателем будет считаться в зависимости от мощности сигнала метки.

Здесь также может быть 2 подхода:

/Измерение мощности аналогового сигнала от метки

/Последовательное уменьшение дальности действия считывателей

Достоинства:

+ Простота алгоритма позиционирования

+ Отсутствие необходимости синхронизации по времени.

Недостатки:

- Значительные аппаратные затраты

- Низкая точность ввиду неоднородности мощности сигнала метки во всех направлениях

- Плохая помехозащищённость.

Подход 4

"Кто что слышал?" Разница во времени прихода сигнала (Time Defference of Arrival)

Подход схож с предыдущим. Каждый считыватель считает время прихода сигнала от метки к нему, а затем вычислительная среда считает разницу между этими временами. Немного раскинув своими железными мозгами, та самая среда выдаёт нам координаты метки, как пересечение трёх гипербол (4-х гиперболоидов в 3D).

Достоинства:

+ Простые аппаратные ресурсы - не нужны часы в метке.

Недостатки:

- Низкая, по сравнению с предыдущим подходом, точность

- Сложность алгоритма позиционирования

- Необходимость наличия 3-х считывателей.

в статье использованы материалы исследовательской работы компании Nanotron Technologies.

Мне по роду прошлой деятельности пришлось реализовать 3-й подход (RSSI) - система работала с точностью 1,5 м, однако была очень требовательна. Оборудование было уже готовое - отечественный считыватель, активно применяемый в автомобильных пропускных системах и активные метки. Система работала на ура, если не поворачивать метки вокруг вертикальной оси - тут начинались чудеса. Это происходило как раз вследствии неоднородности диаграммы направленности метки.

Сейчас же, взяв за основу подход №2, можно попытаться построить систему не такую требовательную к аппаратным ресурсам, однако более надёжную. Об этом в следующем посте.