• :
  • :
  • .
 
Система локального позиционирования «RealTrac»

Система локального позиционирования «RealTrac»

Содержание материала

Мы реализуем проекты по внедрению системы локального позиционирования RTLS – RealTrac на предприятиях и объектах наших партнёров, что позволяет им в конечном итоге оптимизировать бизнес-процессы и получать новые конкурентные преимущества!

Система локального позиционирования RTLS – RealTrac – это решение с широкими возможностями адаптации, учитывающими все особенности вашего предприятия, и способное минимизировать риски, сократить издержки бизнеса, увеличить прибыль!

В основе работы системы локального позиционирования RTLS – RealTrac лежит разработанная российскими учёными одноимённая технология, использующая последние научные открытия, научные разработки и методы обработки данных!

 

Система локального позиционирования RealTrac

 

Система локального позиционирования RTLS – RealTrac позволяет обеспечить определение местоположения людей и техники в режиме реального времени, уверенную локацию и цифровую связь в границах любых зданий, объектов и ограниченных территорий!

Система локального позиционирования RTLS – RealTrac универсальна и применяется в логистике, строительстве, управлении, промышленности, сельском хозяйстве, производстве, горной добыче, медицине, отельном бизнесе и других отраслях!

Система RealTrac способна успешно решать задачи локации, контроля, безопасности и связи на любом объекте как самостоятельно, так и будучи интегрированной с внешними системами безопасности и жизнеобеспечения!

 

ЗАО «Комсет-Сервис» является официальным партнёром российской компании RTL-Service – разработчика системы RealTrac, и предлагает свои услуги по внедрению и сопровождению данной системы позиционирования.

Использование системы

Скачать видео (avi)


Технологии позиционирования 

В настоящее время существует немало средств, позволяющих решать задачу определения местоположения в пространстве того или иного физического объекта.

Основное различие существующих сегодня систем заключается в масштабах территорий, на которых возможна их работа, точности, с которой происходит определение местоположения, необходимых для обеспечения работы системы ресурсах.

Все системы позиционирования можно разделить на два класса: глобальные системы, или так называемые системы «открытого поля», и локальные системы позиционирования, работающие на ограниченной территории.

Мы ежедневно сталкиваемся с глобальными навигационными системами, такими, как GPS или GLONASS. Работа этих систем обеспечивается специальными спутниками, выведенными на геостационарную орбиту и привязанными к определённой точке в глобальной системе координат. Мобильные устройства, например, ваш навигатор, получают сигнал спутника и определяют своё местоположение в привязке к географическим координатам на основе загруженных в устройство карт местности. Точность работы глобальных навигационных систем высока в масштабах города или страны, но может быть недостаточна в масштабах небольшого помещения, так как погрешность локации может достигать нескольких десятков метров.

Система локального позиционирования RealTrac

Более того, с помощью глобальных систем практически невозможно определить точное местоположение внутри помещения, железобетонного здания, в подвале или в тоннеле. На точность сигнала могут влиять массивная облачность, магнитные бури и прочие подобные факторы.

Этих недостатков лишены системы локального позиционирования RTLS, их преимущества становятся очевидными в случае необходимости построения систем локации и связи в границах определённых территорий и помещений. Такие системы способны решать задачи определения местоположения людей, техники, других физических объектов не в масштабах страны, а в пределах вполне конкретной территории или внутри здания с точностью до 1 метра! Система работает автономно, и ей не требуется прямая видимость со спутниками. Роль спутников выполняют точки доступа системы, установленные таким образом, чтобы обеспечить сплошное покрытие контролируемой зоны, за счёт чего на работу системы не влияют погодные факторы и особенности топологии местности.

Системы локального позиционирования работают на ограниченных территориях, и способны обеспечивать навигацию, определение местоположения и голосовую связь даже в закрытых железобетонных помещениях, тоннелях, подвалах, шахтах, – там, где нет возможности для прямого беспрепятственного распространения радиосигнала.

Система локального позиционирования RealTrac

Таким образом, система RealTrac позволяет определять местоположение людей и объектов в реальном времени, контролировать и анализировать их перемещение внутри зданий и на открытой местности в течение любого промежутка времени, осуществлять голосовую связь и передачу данных.

В отличие от глобальных систем позиционирования, построенных на базе GPS и ГЛОНАСС, система локального позиционирования RealTrac с успехом работает внутри помещений и обеспечивает в привязке к плану здания точность локации до 1 метра.

Встроенные в мобильные устройства датчики, такие как гироскоп, акселерометр, датчик давления, позволяют значительно расширить уровень контроля за перемещением мобильного объекта (к примеру, не только в горизонтальной плоскости, а и перемещения по высоте), а также контролировать функциональное состояние – наличие и характер движения, покой, падение и т. д.

Важной отличительной особенностью системы локального позиционирования RealTrac является то, что она позволяет не только осуществлять локацию мобильных объектов, но и обеспечивать передачу данных и голосую связь с людьми по цифровому помехозащищённому каналу. Причём это возможно даже там, где обычные системы мобильной и радиосвязи вообще не работают – внутри бункеров, тоннелей, шахт и т. п.

Система RealTrac интегрируется с системами видеонаблюдения, сигнализации, контроля, и значительно увеличивает эффективность их использования.

Система RealTrac имеет возможность интеграции с системами стационарной телефонной связи.

Программное обеспечение системы локального позиционирования RealTrac даёт возможность формировать любую статистику и отчётность о перемещениях мобильных объектов внутри контролируемого здания или территории за любой промежуток времени, включая статистику о времени нахождения в покое / без движения в каждой точке траектории.


Описание технологии 

Назначение

Технология RTLS – RealTrac является основой для создания и развёртывания системы локального позиционирования RealTrac.

Технологические возможности системы локального позиционирования RealTrac обеспечивают реализацию следующих функций:

  1. Определение местоположения мобильного оборудования на открытых локальных территориях (в рамках границ развёрнутой системы локального позиционирования RealTrac) и в закрытых помещениях (в т. ч. в шахтах), а также в условиях, где использование GPS / ГЛОНАСС приёмников невозможно;
  2. Передачу данных, голосовой и другой информации по беспроводному каналу связи с помощью собственной инфраструктуры.

Принцип работы

Определение местоположения

Система RealTrac. Определение местоположения. Рис. 1

По периметру помещения расставляется специализированное оборудование, т. н. «точки доступа», которые умеют измерять расстояние от себя до мобильных устройств.

Зная результаты измерений расстояний от мобильного устройства до хотя бы 3-х точек доступа, решением стандартной задачи трилатерации (часто её называют «триангуляция»), система определяет местоположение мобильного устройства.

Система RealTrac. Определение местоположения. Рис. 2

Для определения расстояния от точки доступа до мобильного устройства используется метод Time-of-Fligh (ToF) – время полёта электромагнитной волны (от точки доступа до мобильного устройства) и информация о силе сигнала до соседних точек доступа. Зная время прохождения сигнала от точки доступа до мобильного оборудования – получить соответствующее расстояние не представляет проблем.

Для передачи информации система использует сигнал с линейно-частотной модуляцией – Chirp Spread Spectrum – CSS (сигнал с изменяющейся по времени частотой). Точка доступа посылает сигнал на мобильное устройство, которое его обрабатывает и отправляет назад. Используется модифицированный метод RTT (Round-Trip-Time). По разнице фаз отправки и прихода сигнала, точка доступа определяет время полёта электромагнитной волны, а, следовательно, и расстояние до мобильного устройства.

Этот метод существенно отличается от широко используемого метода определения расстояния по силе сигнала базовой станции (GSM) или точки доступа (Wifi). Определение местоположения по силе сигнала часто используется в мобильных телефонах, когда GPS сигнал недоступен. Но точность такого определения весьма низкая. Пользователь увидит на карте круг диаметром от 100 м до нескольких километров.

Система RealTrac. Определение местоположения. Рис. 3

Дело в том, что сила сигнала радиопередатчика падает не линейно при увеличении расстояния. На маленьких расстояниях дельта (d1) в силе сигнала большая – и система может с неплохой точностью определить расстояние, но с увеличением расстояния дельта (d2) снижается, и становится меньше уровня ошибки измерений.

Т.о. для систем, построенных на измерении силы сигнала (GSM, Wifi, RFiD, DECT и пр.) достаточная точность определения местоположения достижима только на малых расстояниях от точек доступа, и требуется высокая плотность расстановки оборудования (одна или несколько точек доступа в каждой комнате).

Система RealTrac определяет местоположение с помощью комбинации методов:

  • ToF (Time-of-Flight);
  • RSSi (Received Signal Strength Indicator – по силе сигнала от точек доступа);
  • IMU (Inertial Movement Unit – электронный самописец движения).

Система RealTrac. Определение местоположения. Рис. 4

Два первых метода были описаны выше, опишем более подробно 3-й метод – IMU. Метод основан на использовании датчиков движения мобильного устройства: акселерометра, гироскопа и магнитометра. На основе информации от этих датчиков, мобильное устройство строит локальную траекторию перемещения, без привязки к глобальным координатам.

Основная проблема, присущая всем инерциальным системам определения местоположения – накапливающаяся со временем ошибка, – устраняется за счёт периодической привязки траектории к локальным координатам, посредством использования методов ToF и RSSi.

Передача голоса и другой информации

Система работает на частоте 2,4 ГГц (стандарт связи IEEE 802.15.4a). Данный частотный диапазон является открытым и не требует получения специальных разрешений на его использование.

Система поддерживает передачу данных по беспроводному каналу на скоростях до 2 Мб/с, что позволяет использовать этот канал для передачи голосового трафика. Голос кодируется кодеком G.729a, что обеспечивает достаточную ёмкость системы для организации нескольких голосовых каналов (дуплексных или полудуплексных) – до 10.

Возможность передачи данных по той же инфраструктуре, что и определение местоположения, позволяет снизить затраты на организацию ИТ-инфраструктуры предприятия.

Технологическая архитектура системы

Сетевая архитектура

 

Система RealTrac. Сетевая архитектура. Рис. 1 

 

По периметру контролируемого помещения расставляются специализированные точки доступа RealTrac, которые позволяют измерять расстояния от себя до мобильного оборудования. Для определения местоположения мобильное устройство должно находиться в видимости хотя бы 3-х точек доступа.

Точки доступа могут функционировать в двух режимах:

  1. Шлюз (между проводным и беспроводным сегментом).
  2. Ретранслятор.

Точка доступа автоматически осуществляет выбор режима работы по наличию Ethernet линка. В независимости от режима работы, все точки доступа участвуют в процедуре измерения расстояний и определении местоположения.

Примерная сетевая схема приведена на рисунках.

Точки доступа, функционирующие в режиме шлюза обозначены синим цветом, ретрансляторы – зелёным. При этом все точки доступа, участвуют в измерении расстояния.

Система RealTrac. Сетевая архитектура. Рис. 2

Данная схема используется для определения местоположения на большинстве закрытых объектов.

Отдельный случай представляют собой шахты и подземные рудники. Там в ряде случаев требуется определять только 1 координату: тоннель имеет ограниченный радиус и, фактически, нужно определить только удаление человека от начала тоннеля. В таком случае сетевая схема выглядит следующим образом.

При входе в тоннель устанавливается точка доступа, которая будет являться шлюзом, и к ней подключается Ethernet. Остальные точки доступа в тоннеле будут являться ретрансляторами. Дальность установки ретрансляторов по тоннелю зависит от ширины тоннеля: для широких тоннелей расстояние может быть до 400-500 метров, для узких – не более 200.

Система RealTrac. Сетевая архитектура. Рис. 3 

Длина цепочки ретрансляторов может составлять до 20 узлов. Если требуется покрыть связью более длинный тоннель – необходимо обеспечить проводное подключение до 41-й точки доступа.

Программное обеспечение

Программная часть системы RealTrac разработана в соответствии со стандартом ISO 24730-1. Архитектурно программная часть RealTrac представлена на рисунке.

 

Система RealTrac. Программное обеспечение

 

Взаимодействие оборудования и сервера локации происходит при помощи специального транспортного модуля INCP (Inter Nanoloc Communication Protocol), который обеспечивает работу сетевой инфраструктуры в беспроводном сегменте сети RealTrac.

На следующем уровне расположен сервер позиционирования RealTrac – Location Core. Модуль обеспечивает расчёт текущего местоположения мобильных устройств, анализ локальных траекторий движения, фильтрацию данных, привязку данных к глобальным геокоординатам и т. д. На выходе модуля можно получить информацию о текущем местоположении объектов. Модуль ведёт собственную базу данных для хранения временной информации о местоположении, однако данная БД предназначена только для служебного пользования.

Информация о текущем местоположении объектов принимается RealTrac Application Server, который обеспечивает длительное хранение истории перемещений, конфигурацию помещений, историю событий (входы/выходы мобильных устройств разрешённые/запрещённые зоны, выполнение регламентов/бизнес-правил и т. д.). Набор логики данного приложения является расширяемым за счёт подключения дополнительных модулей BA (Business Application). В случае необходимости расширения функций, компания RTL-Service разрабатывает дополнительные модули по требованию заказчика.

Выходным интерфейсом RealTrac Application Server является прикладной протокол RTLSCP (RTLS Communication Protocol). RTLSCP является HTTP-based протоколом. Формат представления данных – JSON. Спецификация протокола предоставляется по запросу.

Упрощённо, протокол позволяет получить информацию о местоположении объектов (текущую и архивную), информацию о совершённых звонках, состоянии оборудования, возникающих событиях и т. д. То есть всю ту информацию, которая может потребоваться для интеграции с внешним приложением.

RealTrac поставляется с готовым клиентским Web-приложением, в котором реализованы все базовые функции работы с системой. Данное приложение может быть использовано как в качестве примера для интеграции используемого у Заказчика корпоративного приложения с системой RealTrac, так и в качестве самостоятельного приложения.

Технические характеристики

Характеристики радиопередачи

Наименование параметра

Значение

Частотный диапазон

2.4…2.48 ГГц, нелицензируемый

Стандарт радиосвязи

IEEE 802.15.4.a

Полоса частот

80 МГц, 1 канал (опционально: 3 канала по 22 МГц)

Метод кодирования сигнала

линейно-частотная модуляция (chirp)

Битовая скорость передачи данных

2 Мбит/с

Мощность передатчиков

100 мВт (20 dBm), программное управление

Метод доступа к среде передачи

преимущественно CSMA (возможны CSMA/CA и TDMA)

Точность измерения расстояний

до 1 метра

Метод измерения расстояний

время распространения сигнала (ToF), round-trip time; сила сигнала (RSSi); бортовой самописец движения (IMU)

Дальность устойчивой связи между точками доступа

до 1500 метров (прямая видимость), 50-70 метров (в помещениях, через 2-3 стены)

Дальность устойчивой связи между точкой доступа и мобильным радиоузлом

до 400 метров (прямая видимость), до 50 метров (в помещениях, через 2-3 стены)

 

Основные характеристики системы локального позиционирования RealTrac 

Наименование параметра

Значение

Точность расчета локации

1-2 метра (открытые пространства), 1-4 метров (внутри помещений)

Возможность использовать ретрансляторы для расчета локации

реализована

Исходные данные и методы расчета локаций

патентованные алгоритмы и методы расчета локаций, основанные на измерении времени распространения сигнала (Time-of-Flight), силы сигнала (Receive Signal Strength), Калмановской фильтрации, учете встроенных в мобильный узел датчиков движения, температуры, давления (запатентовано), автоматическом определении условий прямой видимости (LOS/NLOS)

Частота расчета локаций в системе

до 20 в секунду (в единой зоне слышимости)

Эффективное использование эфира

разработаны алгоритмы уменьшения количества проводимых измерений расстояний при сохранении уровня точности позиционирования мобильных объектов

Максимальное количество мобильных радиоузлов

Зависит от частоты определения локации мобильных устройств, до 25 000.

Плотность размещения точек доступа

»1шт./400м2 (в помещениях),

»1шт./3000м2 (открытое пространство)

Адресация узлов

все устройства (точка доступа, ретранслятор, мобильный радиоузел) имеют аппаратный уникальный MAC-адрес, возможна радио передача в режимах unicast и broadcast

Возможность изменения периода опроса мобильных узлов

предусмотрена

Типовой период опроса и расчета локаций мобильных узлов

от 1 сек. до 6 сек. для 4 мобильных устройств в системе

Параметры оцифровки звукового потока

8 кГц, 16 бит, моно, G.729A (»8 кбит/с), в ранних модификациях IMA ADPCM (33 кбит/с)

Режимы передачи звукового трафика

дуплексный («телефон», соединение точка-точка)

Поддержка роуминга в режиме звукового соединения

реализована

Возможность шифрования трафика в беспроводном сегменте

возможна

 


Технологическая архитектура RealTrac

Система локального позиционирования RealTrac – это комплекс, состоящий из стационарных и мобильных устройств, управляющего сервера и специального программного обеспечения. Система работает независимо, за счёт собственных аппаратных средств. Передача данных происходит по цифровому помехозащищенному радиоканалу. Роль спутников выполняют точки доступа системы, установленные таким образом, чтобы обеспечить сплошное покрытие контролируемой зоны.

Оборудование

 

Система локального позиционирования RealTrac. Оборудование 

 

Мобильные радиоузлы периодически выходят в эфир и отправляют пакеты данных, содержащие информацию о самостоятельно измеренных расстояниях до соседних точек доступа. Сервер по необходимости может выдать несколько последовательных команд точкам провести дополнительные измерения до мобильных узлов. Аппаратное обеспечение (шлюзы и ретрансляторы) встраивается в сетевую инфраструктуру любого объекта, практически не нарушая её. В системе не предусмотрено ограничений на максимальное количество активных радиоустройств. Вернее, их количество зависит от частоты расчёта локаций и объёма трафика от них. Внешний вид интерком-рации Sentry, дуплексного интеркома Rio, точек доступа в комнатном (indoor) и промышленном (outdoor) исполнениях, анализатора и носимой метки показан на рисунках ниже.

 

Система локального позиционирования RealTrac. Точки доступа

 

 

Система локального позиционирования RealTrac. Точки доступа

 

 

Основные функции точки доступа – это измерение расстояний от себя до мобильных устройств, входящих в систему RealTrac и передача данных на сервер локации. В качестве данных могут передаваться результаты измерения расстояний, различная системная информация, голосовые сообщения, показания датчиков мобильных устройств и т. д.

Точка доступа в комнатном и промышленном исполнениях может работать как в режиме шлюза между проводным и беспроводным сегментами сети, так и в режиме ретранслятора.

Мобильные узлы RealTrac оснащены следующими датчиками:

  • датчик давления;
  • датчик температуры;
  • измеритель уровня входного радиосигнала;
  • трехосевой акселерометр;
  • трехосевой гироскоп;
  • трехосевой магнитометр;
  • датчик RFID.

Стационарные узлы RealTrac (шлюзы и ретрансляторы) оснащены следующими датчиками:

  • датчик давления;
  • датчик температуры;
  • измеритель уровня входного радиосигнала.

Данные и звуковой поток от мобильных узлов доставляются в ядро системы – сервер коммутации, сбора, обработки и хранения данных.

Программное обеспечение и интерфейс

Клиентское программное обеспечение и сервер RealTrac поддерживают передачу данных о местоположении как в локальных координатах, так и глобальных. Поддерживаются несколько распространённых проекций земли, в том числе проекция Меркатор WGS 84. По запросу, может быть реализована поддержка других проекций.

Информация о местонахождении объектов может отображаться на плане помещения (поддерживается отображение многоэтажных зданий), на глобальных электронных картах в браузере (например, Яндекс.Карты или Карты Гугл), в приложении Google Earth, или любой другой ГИС системе (примеры программных оболочек приведены на рисунках ниже). Поддержка иных систем отображения возможна по запросу.

 

Система RealTrac. Отображение локаций на карте Google

Отображение локаций на карте Google

 

Система RealTrac. История перемещения объекта по зданию

История перемещения объекта по зданию

 

Система RealTrac. Отображение локации в Google Earth

Отображение локации в приложении Google Earth

 

Система локального позиционирования «RealTrac»