CC BY
100
УДК 004.056.52
О РЕШЕНИИ ЗАДАЧИ ЛОКАЛЬНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ
В ПОМЕЩЕНИЯХ
Д. Д. Соколин Научный руководитель - Н. Ю. Паротькин
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: doc.rus@mail.ru
Рассматриваются основные системы позиционирования и используемые ими принципы, а также предлагается исследовать системы позиционирования на основе повсеместно распространенных Wi-Fi сетей.
Ключевые слова: системы позиционирования, технологии позиционирования, позиционирование в помещениях, позиционирование в помещениях на основе Wi-Fi.
ABOUT SOLUTIONS OF THE PROBLEMS OF INDOOR POSITIONING FOR OBJECTS IN BUILDINGS
D. D. Sokolin Scientific Supervisor - N. Yu. Parotkin
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
E-mail: doc.rus@mail.ru
This article discusses the basic principles of indoor positioning systems and technologies, and also invited to research the positioning systems based on the Wi-Fi networks.
Keywords: positioning systems, positioning technologies, indoor positioning, indoor positioning based on Wi-Fi.
Позиционирование представляет собой процесс определения местоположения одной точки относительно других точек, местоположение которых уже известно. Оно было фундаментальной потребностью человека с момента его появления. Для решения этой задачи еще в эпохи, предшествующие развитию современных технологий, люди изобрели несколько инструментов, основанных на наблюдении за звездами.
В нашу технологическую эру можно определить местоположение людей и объектов в реальном времени, используя задержку времени распространения радиосигналов. В этом контексте самый популярный пример это глобальная система позиционирования (GPS) - спутниковая система позиционирования, которая позволяет пользователям с наземными приемниками точно определить свое географическое положение.
В настоящее время позиционирование становится основой для развития услуг по определению местоположения (Location-Based Services, далее - LSB). В частности, беспроводные системы позиционирования вызывали значительный интерес в течение многих лет. В ближайшие годы мы увидим использование высокоточных систем позиционирования, способных работать в сложных условиях распространения сигналов в окружающей среде, что обычно невозможно при использовании GPS, например, внутри зданий и в подземных помещениях. Такое применение требует системы позиционирования с субметровой точностью.
Надежное позиционирование в подобных условиях является ключевым фактором для разнообразного использования, включая отслеживание в целях обеспечения безопасности (для авто-
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 2
ризованных лиц - для обеспечения высшей степени безопасности), медицинские услуги (мониторинг местонахождения пациентов в больницах) и так далее.
Позиционирование, как правило, происходит в два основных этапа: сначала проводятся непосредственные измерения между узлами, и, затем полученные результаты обрабатываются для определения положения агентских узлов. Типичным примером таких измерений является определение расстояния между опорными узлами. Это называется дальнометрией. На основе типа измерений, проведенных между узлами, и конфигурации сети беспроводные системы позиционирования могут быть классифицированы по различным критериям:
- измерение угла прихода сигнала (Angle Of Arrival, далее - AOA);
- измерение уровня принимаемого сигнала (Received Signal Strength, далее - RSS);
- измерение времени прихода (Time Of Arrival, далее - TOA) сигнала;
- разность во времени прихода сигнала (Time Difference Of Arrival, далее - TDOA);
- дальнометрия в ближней зоне (Near-Field Ranging, далее - NFR);
- на основе радиовидимости.
Системы спутникового позиционирования основаны на положении искусственных спутников, которые вращаются по известным орбитам и непрерывно передают сигналы, используемые мобильными терминалами для выполнения дальнометрии. По своей сути это навигационные системы, в то время как последние наземные системы предназначены в основном для позиционирования. Система глобального позиционирования (GPS) в настоящее время в большей степени является глобальной навигационной спутниковой системой. А наземные системы позиционирования используют сеть наземных станций и характеризуются очень специализированными областями применения и высокой стоимостью установки и обслуживания.
С другой стороны, современные наземные системы определения местоположения родились как своего рода побочный продукт существующих беспроводных систем связи. Одним из основных различий между современными спутниковыми и наземными системами позиционирования является цель, для которой предназначен сигнал, идущий от передатчика к приемнику. В спутниковой системе целью является действительно позиционирование, тогда как в наземных системах позиционирование часто является вспомогательной опцией по отношению к передаче данных. Из этого различия и вытекает основное неудобство подобных систем: для определения своего местоположения необходимо дополнительное оборудование для приема или передачи сигнала, которое зачастую стоит довольно дорого.
Однако использование беспроводных сетей передачи данных для определения своего местоположения решает эту проблему, так как полученная система будет решать обе задачи: обеспечивать доступ клиентов к сети передачи данных, а также определять их местоположение. Конечно, определение местоположения будет снижать скорость передачи данных в этой сети, однако, чтобы такие потери были не очень заметны для пользователей, их уровень примерно должен быть равен 15-20 %.
Несмотря на плюсы использования беспроводных сетей передачи данных для определения местоположения клиентов, существующее на настоящий момент оборудование не поддерживает технологии точного позиционирования.
Наиболее часто используемыми беспроводными технологиями такого рода являются сети сотовой связи, беспроводные локальные сети (Wireless Local Area Network, далее - WLAN), беспроводные системы на базе сверхширокой полосы (Ultra-Wide Band, далее - UWB), системы с радиочастотной идентификацией (Radio Frequency IDentification, далее - RFID), и беспроводные сенсорные сети (Wireless sensor networks, далее - WSN).
Из вышеуказанных технологий самой распространенной является WLAN. Беспроводные сети передачи данных построены в большинстве своем на основе Wi-Fi сетей. Соответственно идеальным вариантом системы позиционирования с учетом минимальных изменений инфраструктуры являются системы позиционирования, основанные на технологии Wi-Fi, использующие TOA, AOA, RSS для определения точного местоположения пользователя.
В данном направлении ведется большое количество исследований [1-3], которые позволят определять местоположения при помощи обычного оборудования доступного повсеместно. Одно из таких исследований [2] используется данные измерений полученные от единственной точки
доступа, такие как AOA, TOA, RSS. Но для увеличения точности позиционирования дополнительно используются данные с датчиков смартфона: акселерометра, гироскопа. Обработка этих данных при помощи специальных алгоритмов позволяет увеличить точность вычисления местоположения пользователя в 2-5 раз. Достигнутая точность вычисления местоположения составляет 2,3 м, что является довольно-таки удовлетворительной для некоторых задач. Особенно учитывая факт использования единственной точки доступа для проведения измерений.
Использование подобных систем снизит стоимость и повысят точность позиционирования объектов в зданиях где GPS не позволяет получить необходимую точность. И при этом позволит использовать в качестве устройств, местоположение которых отслеживается, обычные смартфоны, планшетные компьютеры или ноутбуки, оснащенные Wi-Fi адаптером. Что в свою очередь повысит удобство навигации в помещениях для конечных пользователей, а также создаст новые возможности предоставления пользователям сервиса на основании их местоположения.
Библиографические ссылки
1. Decimeter-Level Localization with a Single WiFi Access Point [Электронный ресурс]. URL: https://www.usenix.org/system/files/conference/nsdi 16/nsdi 16-paper-vasisht.pdf (дата обращения: 17.01.2017).
2. SAIL: Single Access Point-Based Indoor Localization [Электронный ресурс]. URL: https://www.sigmobile.org/mobisys/2014/pdfMainConference/sys284-mariakakisP.pdf (дата обращения: 20.02.2017).
3. Device-free Human Activity Recognition Using Commercial WiFi Devices [Электронный ресурс]. URL: https://dx.doi.org/10.1109/JSAC.2017.2679658 (дата обращения: 04.03.2017).
© Соколин Д. Д., 2017
