О применении технологии UWB в решении задачи локального позиционирования объектов в помещениях Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Решетневские чтения. 2018

УДК 004.056.53

О ПРИМЕНЕНИИ ТЕХНОЛОГИИ UWB В РЕШЕНИИ ЗАДАЧИ ЛОКАЛЬНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ В ПОМЕЩЕНИЯХ

Д. Д. Соколин Научный руководитель - Н. Ю. Паротькин

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: doc.rus@mail.ru

Рассматриваются основные особенности технологии UWB и основные подходы, полезные для решения задачи локального позиционирования в помещениях.

Ключевые слова: системы позиционирования, технологии позиционирования, позиционирование в помещениях, позиционирование в помещениях на основе UWB.

ABOUT USING UWB TECHNOLOGY IN SOLUTIONS OF THE PROBLEMS OF INDOOR POSITIONING FOR OBJECTS

D. D. Sokolin Scientific Supervisor - N. Yu. Parotkin

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: doc.rus@mail.ru

This article discusses the main features of UWB technology and the main algorithms that are useful for solving the problem of indoor positioning.

Keywords: positioning systems, positioning technologies, indoor positioning, indoor positioning based on UWB.

Позиционирование - это процесс определения местоположения людей, оборудования и других объектов. В последнее время позиционирование объектов в пространстве активно исследуется. Большая часть исследований сосредоточена на использовании существующих технологий для решения проблемы определения местоположения. Позиционирование в помещениях имеет свои требования, которые отличает его от наружного позиционирования. Существует пять основных показателей качества локальных систем позиционирования: точность и точность системы; охват и его разрешение; задержка при создании обновлений местоположения; воздействие инфраструктуры здания; влияние случайных ошибок (например, ошибки, вызванные помехой и отражением сигнала).

UWB (Ultra-Wide Band, далее - UWB) на текущий момент одна из самых последних, точных и перспективных технологий [1]. UWB основан на передаче чрезвычайно коротких импульсов и использует методы, которые вызывают распространение радио энергии (в широком диапазоне частот) с очень низкой спектральной плотностью мощности [1]. Благодаря этому становится возможным обеспечение высокой пропускной способности на небольшом расстоянии. И также благодаря этому UWB-импульсы имеют способность эффективно проходить через препятствия. Методы позиционирования на основе UWB обеспечи-

вают высокоточное отслеживание местоположения объектов в режиме реального времени. Сигналы UWB обеспечивают высокоточную оценку местоположения объектов внутри помещений [1; 2]. Сигналы с высокой пропускной способностью и чрезвычайно короткими импульсами помогают уменьшить или вообще избавиться от многолучевого распространения сигнала и облегчают определение TOA для пакетной передачи между передатчиком и соответствующим приемником, что делает UWB более желательным решением для локального позиционирования, чем другие технологии [2; 3]. Длительность одного импульса определяет минимальную задержку дифференциального пути, в то время как период пульсации сигналов определяет максимальную наблюдаемую задержку многолучевого распространения, чтобы однозначно избежать многолучевого распространения сигнала. Кроме того, низкая частота UWB-импульсов позволяет сигналу эффективно проходить через препятствия, что повышает точность.

Итак, UWB хорошо подходит для применения в помещении. Для использования этой технологии были разработаны различные алгоритмы позиционирования, в которых информация о местоположении извлекается из радиосигналов, перемещающихся между опорными узлами и целевым узлом в дополнение к информации о местоположении опорных узлов.

Информационная безопасность

Сравнение алгоритмов позиционирования на основе UWB

Критерий AOA TOA TDOA RSS

Оценка местоположения Пересечение нескольких пар угловых линий направления Время, затрачиваемое сигналом на переход от узла к опорным узлам. Расстояние прямо пропорционально времени распространения Дельта во времени между приходом сигнала до опорных узлов, которая отображается на нескольких пересекающихся гиперболах Сила принятых сигналов от нескольких опорных узлов на целевом узле. Расстояние обратно пропорционально мощности сигнала

2Б-пространство По меньшей мере, два опорных узла По меньшей мере, три опорных узла По меньшей мере, три опорных узла По меньшей мере, три опорных узла

3Б-пространство По меньшей мере, три опорных узла По меньшей мере, четыре опорных узла По меньшей мере, четыре опорных узла По меньшей мере, четыре опорных узла

Синхронизация Минимальное требование с точки зрения точности и синхронизации часов Все передатчики и приемники в системе должны быть точно синхронизированы Только опорные узлы должны быть синхронизированы Не требуется

LOS и NLOS Требуется четкая прямая видимость (LOS) между передатчиком и приемником Предпочитают LOS для уменьшения эффектов многолучевого распространения

Проблемы Небольшие ошибки в измерении угла будут сильно влиять на точность Относительный дрейф часов между отправителем и приемником Более низкая точность, чем TOA с одинаковой геометрией системы Чувствительно к несогласованности каналов. Требуется малое расстояния между узлами

Существует множество алгоритмов позиционирования, которые делятся на пять основных категорий на основе оценочных измерений: время прибытия (Time Of Arrival, далее - TOA) сигнала; угол прихода (Angle Of Arrival, далее - AOA); уровень принимаемого сигнала (Received Signal Strength, далее - RSS); разница во времени прибытия (Time Difference Of Arrival, далее - TDOA); гибридный алгоритм.

Эти алгоритмы необходимо сравнить по различным факторам, включая точность, среду, методику оценки, диапазон, цель использования. Результат подробного рассмотрения этих алгоритмов для решения задачи локального позиционирования на основе технологии UWB представлено в таблице [4; 5]. На основе проведенного исследования для UWB технологии был выбран для реализации и доработки (повышение точности) алгоритм TDOA.

References

1. Ghavami, M., Michael L. B., Kohno R. Front Matter - Ultra Wideband Signals and Systems in Communi-

cation Engineering; John Wiley & Sons, Ltd: Newark, NJ, USA, 2006.

2. Cheng G. Accurate TOA-based UWB localization system in coal mine based on WSN. Available at: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S18753 89212001216 (accessed: 08.09.2018).

3. Segura M., Mut V., Sisterna C. Ultra-wideband indoor navigation system. Available at: https:// www.researchgate.net/publication/260500238 (accessed: 08.09.2018).

4. Abdulrahman Alarifi, AbdulMalik Al-Salman, Ultra Wideband Indoor Positioning Technologies: Analysis and Recent Advances. Available at: https://www. ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4883398/ (accessed: 08.09.2018).

5. Syed Naveen Altaf Ahmed, Yonghong Zeng. UWB positioning accuracy and enhancements. Available at: https://ieeexplore.ieee.org/document/8227939/ (accessed: 08.09.2018).

© COKOJIHH fl. fl., 2018