实时定位系统(RTLS)概要

实时定位系统 (RTLS 目录

引言

RTLS 基础:测距传感器和定位装置测距传感器

定位装置

RTLS 的方法

到达角定位法 (AOA

到达时间测量法 (ToA

到达时间差定位法

接收信号强度指示法

飞行时间定位法

往返时间定位法

对称双边两路测量法 (SDS-TWR 所用带宽和测量法

信号检测

两路测量避免了时钟同步化

时钟发生振荡的限制

零漂误差

实时定位系统的应用例子

工业的后勤装备管理

保健服务 -病人,保健提供者,资源跟踪

紧急服务机构练习生跟踪

安全和人员的身份识别

危险资产跟踪

工业会议或者娱乐活动上部分出席者跟踪

总结

参考文献

摘要

这个白皮书讨论了最常用的展开建立实时定位系统的方法。这些包括到达时间定位法(TOA ,时间差定位法(TDoA ,接受信号强度定位法(RSS ,运行时间定位法(ToF ,往返时间定位法(RTT 。 RTT 的一种特别情况就是 SDS-TWR ,它提供了一种对复杂情况的方法, 但是具有很高的能量消耗, 在大多数实时定位系统的方法中具有很高的费用。这个白皮书包含一系列实时定位系统应用的例子。

引言

尽快的确定人和对象的位置的需要已经成为任何组织或者工业,尤其是在制造业,卫生保健,输给系统中的一个重要部分。随着无线技术的逐步改进,现在可能遥远的确定人或对象的位置在一个预先定义的时帧里。完成这种功能的系统就叫做实时定位系统。他们通常使用小型低功率发射机,它被称为 RFID 标签,它依附识别标签和一系列标出待测点位置的参考节点。标出对象的经度和方向角的系统是全球系统, 一般用 GPS 来定位标出。在相对固定的坐标系中精确标出位置的系统称为实时定位系统。这些是将在这个白皮书中讨论的无线定位系统的类型。

一些技术人员曾经去建立实时定位系统。一些人用专用的 RFID 标签和接受者而其他人用已经存在的无线局域网并在这些网络中增加无线定位系统。这篇文章讨论了无线定位系统在 2D 或者 3D 空间中定位一个对象的最常用的方法,包括时间差定位法(TDoA 和接受信号强度定位法 (RSSI . 对称的两种测距方式在下面就会被介绍, 那是基于可靠运行时间的方式,但是改善它是靠减少系统的复杂度和费用。

无线定位系统在宽量程问题上非常感兴趣, 能够由上面说的那些系统解决。举下面这两个例子, 无线定位系统能应用在一个忙碌医院病房里定位医院所有员工或者在制造业去快速定位和决定关键能源的实用性。无线定位系统的大量实际应用在各种各样关键工业上证明了无线定位系统带来了改善产品和增强组织工作流程的真正好处。

RTLS 基础:测距传感器和定位装置

在越来越普遍应用的工业, 商务办公室, 安全系统和军事应用方面, 无线定位系

统已经得到重要的新发展。然而, 具有重大意义的是, 大多数实时定位系统只包含两个关键部分, 一个是用来计算系统中大量节点间的距离的无线测距传感器, 另一个是用来决定系统中某个节点位置的定位装置。

测距传感器

测距传感器是用来测量并计算两个或者多个节点之间距离的一套装置。这些节点包含待测节点和参考节点。待测节点通常用活动的 RFID 标签,它是可移动的,位置需要系统决定的节点。这些标签来自于一组组态的宽量程,从简单的活动RFID 标签到包含温度,光,气压,运动等传感器的更加复杂的 RF 模块。参考节点是通常位置已经确定的更复杂的节点, 而用来去确定待测节点位置的。此外, 这些参考节点可能是一个网络的一部分, 这个网络包含连接在一个监控系统的有线基础设施的一个或者几个节点,即网页界面或者软件界面。

定位装置

定位装置收集依靠系统节点布局, 并由系统中待测节点和参考节点提供的估计的计算结果。这些计算结果接下来就作为输入数据送入定位装置, 然后定位装置就运行算法去决定目标节点或者一系列节点的位置。

RTLS 的方法

许多方法都可能来执行距离计算, 这取决于所测定的信号特性。这些方法不是独有的包含以下这些:

到达角定位法

到达时间定位法

到达时间差定位法

接收信号强度定位法

飞行时间定位法

对称双边两路测距法

以上方法的一些组合也在实践中得到应用。

到达角定位法 (AOA

到达角定位法 (AOA 是决定 RF 信号从待测节点到参考节点传播方向的一种方

法。在待测节点或者参考节点上用方向敏感的天线, 那么发射器的方向就能够被获得。到达角是由测量待测节点和参考节点之间的线和参考节点预先定义的某条线之间的角来决定的,比如北方。这种方法能够被如下的图说明,在这里 R1是参考节点, T 表示待测节点。

图 1 :到达角定位法

决定待测节点的位置

利用两个已知位置的参考节点, 待测节点发射到两个参考节点的位置能够利用简单的三角计算来决定。对每个参考节点来说, 所收到的信号的到达角是来自于同一个待测节点并计算的,然后当地的引擎利用算法来决定这个待测节点的位置。

这种方法能够被如下的图说明,在这里,两个参考节点 R1, R2, T 表示正在被确定位置的待测节点。

图 2:用到达角定位法确定待测节点的位置

与到达角定位法有关的问题

用这种方法来进行测量常常需要一套复杂的 4-12个位于同一水平线,许多电池位置的天线组。这种方法的精确度随着所用天线组的数量的增加而增加。此外这种方法的费用,所测定的角的结果与所建立的环境中的普遍的多径传播敏感相关。因此, 在待测节点和参考节点之间最适合于光的直线传播测量。而且, 到达角测量法也对安全威胁很敏感,因为进攻者能够很容易从一个不同的位置反射或者中途转发。

到达时间测量法 (ToA

到达时间测量法(ToA 是一种基于待测节点与一个或者多个参考节点之间无线信号的传播时延的测量方法。传播时延,能够被计算为 ti-t0, 是指的一个信号从源站达终点站之间的时间滞后, 换句话说, 它就是一个信号从发射器到接受器之间所传播的时间,如下图所示。

图 3:到达时间测量法

决定待测节点的位置

放大传播时间 ti-t0, 是用传播信号的速度,传播时延能够转换成待测节点和参考节点之间的距离。

用到达时间测量法在二维空间中确定待测节点的位置至少需要 3个参考节点。用到达时间测量法在三维空间中确定待测节点的位置至少需要 4个参考节点。在二维空间中, 待测节点的位置能够被看做三个以上圆的交点, 而在三维空间中, 待测节点的位置能够被看做四个以上球的交点。

到达时间测量法在二维空间测量计算中如下图所示。在这里, T 表示待测节点, R1,R2,R3表示参考节点。信号在 t0时刻发射,在 t1,t2,t3时刻被接收。