实时定位系统RTLS概要.docx

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、, 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

10、 t0时刻发射,在 t1,t2,t3时刻被接收。图 4:用到达时间测量法决定待测节点的位置与到达时间定位法有关的问题为了在经过时间 t i -t 0, 的计算上得到合理的确认, 那么待测节点和参考节点之间 时钟就必须同步。 待测节点和参考节点之间的距离能够由这种方法来决定, 但是这产 生了相当大的费用。 为了获得精确到毫微秒的标度, 这样距离测量上也就更精确, 就 必须发展一个精细的时钟系统, 而这根据发展的时间和努力需要高额费用。 而且, 在 二维和三维空间中都至少需要三个参考节点,这也增加了系统的费用和复杂性。到达时间差定位法到达时间定位法可以看作是已知位置的点作为球心的球的交点, 而到达

11、时间差定 位法则可以看作是空间里的双曲线的交点。 用到达时间差定位法的系统测量收到每一 个待测信号的传播时间差。因此, TDoA 方法也被认为是三维空间的双曲线定位法。 鉴于到达时间定位法记录的时间是待测节点发送信号到参考节点之间的时间, 到 达时间差定位法则需要参考节点记录信号所到达的时间。 和到达时间定位法一样, 到 达时间差定位法也需要每个信号能同时开始传播, 或者同时或者在信号传播之间有某 个已知的延时。用到达时间差定位法, 三或者四个参考节点需要在固定的已知的位置。 每一个参 考节点需要同时接收从待测节点发送过来的信号并且当信号接收的时候要同时记录。 这个信息被发送定位装置那里去,进

12、而计算出每一个参考节点所接受信号的时间差。 这个时间差就通过一个算法换算,并提供了待测节点的一个位置估计值。在数学上, 待测节点位于在二维空间里三个双曲线的交点, 而待测节点位于在三维空间里三个双 曲线的交点。待测节点在三维空间中的位置能够被如下的图来说明。 图 5:用到达时间差定位法确定待测节点的位置与到达时间差定位法有关的问题到达时间差定位法的问题和到达时间定位法相似。 到达时间差定位法需要每一个 参考节点的时钟都是同步的。定位装置的估计值与参考节点所用时钟的精确度相关 (时钟的精确度越高结果就越精确,但是系统也就有越高的费用 。因此在大多数情 况下,时钟运行的异步就影响着定位的估计值。而

13、且, 到达时间差定位法也受多路径传播的影响, 噪音和干扰就导致了双曲线的 不准确的交点。 场所的直线是可取的, 比如在一个开放空间里或者在一个大的开放建 筑里。接收信号强度指示法接收信号强度指示法同时用几个 802.11无线局域网的接入点去追踪装置的位 置。 来自于至少三个接入点的接受信号的强度来决定被追踪的人或者对象的位置。 为 了提高准确度,更多先进的 RSSI 方法用一张叫做 RF 指纹的图,这张图是基于在一 个预定的区域里取很多 WLAN 信号强度的点的标度。在一个 RSSI 系统中,待测节点与参考节点之间的距离是由参考节点的信号强度 转换成一种测量的距离所决定的, 这基于待测节点的已

14、知输出信号强度和特殊的路径 消耗模型。 位置服务器用一个算法和计算得出的待测节点和参考节点之间的距离来估 计待测节点的位置。 虽然这种特殊决定待测节点与参考节点之间距离的方法在本质上 与 TOA 方法不同,但是位置的计算依靠相似的算法。接受信号强度指示法能够用如下的图来说明, 在这里 T 表示待测节点, R1,R2,R3是参考节点。 S1,S2,S3分别表示每一个参考节点的信号强度。 图 6:用接受信号强度指示法确定待测节点的位置与接受信号强度指示法有关的问题为了有效地进行定位, RSSI 定位法需要有密集的接入点搭配,而这却相当大地 增加了系统的费用。然而, RSSI 基础系统的关键问题是在

15、光非直线传播和非稳定的 环境中找到一个适当的潜在路径损耗模型。 因此在实践中, 所估计的距离值是有点不 可靠的。见 1是 RSSI 技术一种特殊实现的讨论。而且,用 RSSI 的系统在安全应用 上是不合格的, 因为进攻者能用放大, 衰减信号或者其他方式来很容易地改变所接受 信号的强度。最终,过量的 WLAN 网络的关键目的就是发行量,而承担着增加的任 务网络的 RTLS 是仍然待解决的。飞行时间定位法飞行时间定位法是测量一个信号从待测节点到参考节点经过的时间, 而这基于典 型信号通过媒介的估计传播速度。 因为这种方法是基于时间值, 时间的准确要比前面 的方法具有更重要的意义。伴随高精确度的参考

16、节点 R 记录到伴随高精确度的待测 节点 T 已知的传播信号出发时间值。出发时间是 t 1, 相应的到达时间是 t 2, 用一个 估计的信号传播速度 S , 在两个装置之间的距离 D 能够被决定准确度在 1-2米里。 用 三个参考节点, 一个算法就能决定待测节点在三维空间中的位置。 这种方法能够被如 下的图来说明。 图 7:用飞行时间定位法确定待测节点的位置这种方法没有增加额外的系统的硬件制作费用, 因为它能用同样的硬件来进行数 据传输和信号处理。与飞行时间定位法有关的问题一个理想的 TOF 系统需要昂贵的精确时钟。事实上,时钟的补偿和漂移腐化了 测量的精确性。 而且, 信号能够受其他信号的干

17、扰, 噪音, 多路径传播的影响。 然而, TOF 系统有一个超越其他系统的优点,因为所增加的硬件费用是最小的。而且它在 室内环境中也相当成功, 比如混凝土墙和楼梯, 而且相比其他方法, 它有一个比较高 的精确度。此外,在实时定位系统上, TOF 被认为是一个安全的方法。往返时间定位法一种克服 TOF 法固有困难的方法就是使得所要求的时钟同步化与测量无关。这 能够被做靠发送一个测量信号然后等应答信号 (这个过程就是“先贷后存的利差” 。 这能够被如下的图来说明。 图 8:往返时间定位法用一个数据信号和一个应答信号来缓和时钟同步化问题。 RTT 用可以很好预料的 硬件生成应答数据包,在这里假定,在

18、两个节点 MAC 的处理时间是相等的。所用的 时间戳记在物理层上,而不是在应用层上。Nanotron 改善了往返时间法,并发展了对称双边两路测量法(SDS-TWR ,这将 在下一节中被描述。对称双边两路测量法 (SDS-TWR Nanotron 技术发展了飞行时间法, 它采用参考节点发送一个测量信号并由待测节 点发送回来一个应答信号来抵消时钟同步化的要求。 它建立在依靠附加宽频调频技术 能够保护多径传播和噪音干扰的优点上。 为了消除时钟漂移和补偿的影响, 测量结果 是在待测节点和参考节点的测量结果上进行平均。这个结果有合理的精确度,在 1米的误差范围内, 即使是在最复杂的环境里。 这个方法就叫

19、对称双边两路测量法, 或者叫 SDS-TWR 。所用带宽和测量法测量方法比如 TOF 常常用互相关函数的主要边缘检测去估计信号接收的准确时 间。 信号带宽越宽, 相关峰值就越窄。 相关峰值尽可能的窄就会增加这种方法的时间 分辨率, 同时也增加了定位的精确度。 这就是 UWB 技术被普遍认为是测量系统技术选 择的原因。然而,发展 UWB 技术有两个障碍。首先, UWB 技术还没有在世界范围内得 到认可,即使在 2002年, UWB 首次得到 FCC 的批准应用在美国室内营运方面。第 二, UWB 技术仍然是一个很新的技术并不被研究实验室以外的人所广泛接受。 500MHzUWB 无线电的典型期待就

20、是提供一个合理的测量精度,它比通常认为 的要少很多带宽。一个这样供选择的就是 Nanotron 的附加展频调频(CSS 技术,它 只需要用 80MHz 的带宽。而且, CSS 在操作上已经被欧盟,美国,日本所认可。信号检测SDS-TWR 信号检测的机制就是当收到数据包时,结合一些相关函数毫微秒的时 间分辨率来取相关测量结果的平均值。所获得结果的分辨率和由基于 UWB 技术用 TOA 技术所获得的结果接近。两路测量避免了时钟同步化因为 SDS-TWR 和 TOF 方法相似,它避免了在节点测量结果所需要的时钟同步 化。 在 SDS-TWR 测量方法中, 信号从一个节点传播到下一个节点并返回原来的节

21、点 (往返传播或者两路测量 。信号从节点 1(比如参考节点传播到节点 2(比如待测 节点的时间是被节点 2所测量的。这能被如下的图来说明。 图 10:由两路测量法测量距离仅当节点 2收到节点 1发送的数据包开始时间测量, 当节点 2发送回数据包给节 点 1时结束时间测量。在这种情况下,节点 2不需要和节点 1保持时间同步化。 当节点 1收到节点 2的应答信号后, 收到数据包的累计时间值用来去计算两个节 点之间的距离。 由节点 1测量的时间减去由节点 2测量的时间的差就是信号通过空气传播时间的 2倍。时钟发生振荡的限制虽然节点之间的同步不再需要了, 但是在 TWR 方案中又有了另一个问题, 那就

22、是 时钟发生振荡的质量。 这是因为往返时间与信号通过空气传播所需的时间相比是一个 相当长的间隔。 收发机发送接收数据包需要几百微秒而不是信号通过空气传播所需要 的几十毫微秒。 一个可以接受的由于振荡漂移, 测量的往返时间误差不能超过 1毫微 秒,但是这大略需要晶体 10ppm 的偏差或者更好。然而,这在大多数实时定位系统 所布置得典型晶体的质量范围之外。零漂误差一个简单的方法去避免时钟漂移的障碍就是对称地执行测量方法两次。 第一次测 量结果计算是基于从节点 1到节点 2然后回到节点 1的往返路径。 第二次测量结果是 基于从节点 2到节点 1然后回到节点 2的往返路径。 这种双边测量法把由于时钟

23、漂移 第一顺序的误差清零了。 SDS 能够被如下的图来说明。 图 11:用 SDS-TWR 法测量距离SDS-TWR 方法用标准质量 40ppm 的晶体提供了所需要的时间分辨率 (更多细节 请参考 6 。 虽然由于 TOA 的同步化需要, 一些数据包需要交换, 而不是仅仅一个, 但是时钟漂移的影响是可以消除的,而且时钟同步化也是不需要的。 SDS-TWR 方法 能够被如下的图来说明。图 12:对称双边测量法实时定位系统的应用例子跟踪由人所带的电子标签或者某种类型的对象的能力通过前面所跟踪的方法手 册提供了一个有意义的改进, 这就是某人物理上所要寻找的人或者对象。 这导致了在 许多行业和机构增加

24、了效率, 因此成为了一种面目一新的应用。 几个例子在下面的几 节中会被提供。工业的后勤装备管理在工业或者后勤部门, 在制造业间的不断交换, 分配部门和运输系统之间发生着。 设备和资产的稳流不断从一个场进和出。 场管理的主要任务就是提供关于场情况的最 新消息,什么设备是空闲的,设备的情况是什么,设备现在在哪。通常,输入进管理 软件的数据是手动的用装置完成的, 比如手动扫描和记录装备的每一个活动。 所不幸 的是, 手动数据输入倾向于错误并常常过期。 为了缓和所蕴含信息的不可靠性, 要求 设置一个调节性库存储备。过量的使用导致了经营和维护场的高额费用。另一方面, 实时定位系统的发展, 消除了手工扫描

25、对象上条形码的需要, 因为设备和资产会直接 自动发送它们的情况和位置数据, 由无线连接在场管理软件上。 因此, 在任何给定的 时刻, 全部存盘和所用场的设备都是可用的, 甚至当场在节假日处于关闭或者其他不 经营的时间。保健服务 -病人,保健提供者,资源跟踪实时定位系统在保健环境上的调配,比如医院里病人,工作人员,资源的跟踪, 为许多病人和保健提供者提供了很多好处。举个例子,病人不是总被限制在病房中, 而是被鼓励去在病房外面徘徊, 参观自助餐厅, 甚至在医院广场上作短暂的散步。 然 而对某些类型的病人来说, 人口统计可能会不断地被监测, 而且这些病人当然被限制 在医院的病床上。 能够远程监视那些

26、被鼓励散步对他们复原有好处的病人的能力, 能 够极大地有利于这些能够自由闲逛的病人或者保健提供者, 这些保健提供者当在医院 里需要注意并快速确定病人位置的时候是灵敏的。而且, 保健服务提供者, 比如医生或者护士, 能够快速位于医院或者诊所中去帮 助估计主治医师多长时间能到达病房。 为了长期的观察, 主治医师通过病房或者诊所 的位置和活动能够被用来去更好的理解他们的工作量, 为的是更好的组织病房或者提 高人事水平。最终, 典型的医院限制了非常昂贵的移动医疗设备的数量。 当主治医师或者护士 需要某个特殊设备时, 实时定位系统能够立即进行定位。 跟踪这些资产的位置能够显 示这个特殊设备在什么时候什么

27、地方被经常用到, 而且联营设备在哪里可能减少增加 设备的需求。 所悲伤的是, 医院设备像其他高技术设备一样容易受到偷窃和滥用。 跟 踪系统能够被用来去复原这些装置,而且当它离开医院的大楼时能够有警觉的安全 性。紧急服务机构练习生跟踪消防队员和其他其他紧急服务机构人员有广泛的训练程序, 提供安全但是现实的 环境, 在这个环境中, 新兵学习怎样处理它们所碰到的问题一旦他们在这个领域工作。 在这些演练中事故确实发生过。 为了缓和这些事故, 实时定位系统能够帮助在跟踪和 定位新兵的位置去确定爆炸或者火灾模拟程序不是偶然发生在这些新兵身边。实时定位系统的另一个好处是在紧急服务机构的新兵在训练的过程中能够

28、记录 这些新兵的运动路线, 这能够用来去评价他们在演练中的表现。 是否他们在正确的位 置并有效地用设备救火, 是否他们移动太快或者太慢, 或者是否他们发现他们自己在 一个对他们生命有潜在威胁的位置。 在处理突发事件人员的训练中用实时定位系统的 可能性范围仅仅限制在训练人员的想象中。安全和人员的身份识别拜访者的身份确认标签长久被使用去为办公室和工业生产设备提供安全。 条形密 码被增加去允许电脑去跟踪何时何地一个特殊的标签被扫描器所扫描, 典型的就是一 个入口大门的接收装置。 这些标签的效力是被接收器网络的深度所限制的。 一旦标签 在安全空间里,身份信息就不再是可用的,直到标签被再次扫描。实时定位

29、系统对于拜访者身份确认标签的发展增加了在一个工厂里定位和跟踪 拜访者的能力。 通过工厂里分布式探测器活动的使用和戴在拜访者身上被实时定位系 统所加强的 ID 标签, 所限制的区域能够被很好的管辖。 而且, 在任何一个给定的时间 里, 安全人员确认谁在工厂里的每一个部门里并且跟踪他们的活动来确保所遵从的安 全保密条令是不断被维护的。危险资产跟踪和戴在拜访者身上的身份确认标签一样,被 RTLS 加强了的 ID 标签也能固定在 工厂里的危险资产上。工厂里的分布式探测器的活动以及被 RTLS 加强了的 ID 标签 连接在这些资产上提供了安全工作人员在任何时间跟踪他们的活动和确定他们位置 的能力。 当一

30、个非法尝试去移动这些工厂里的资产发生时, 或者甚至当这些资产被运 出工厂时,这些装置能够发出警报来调整行为来确定是否遵从安全保密条令。此外, 危险品的仓库比如炸药或者兵器能够更安全一些。 然而在这种情况下, 这 些物品能够被另外保护来确认只有编制人员才能允许在这些资产的范围内。 一个警报 或者其他类型的信号能被提供, 当危险资产上的标签开始接近非编制人员上所戴的标 签的时候。工业会议或者娱乐活动上部分出席者跟踪一个典型的工业销售展或者会议可能有成百上千的出席者,展出者,清洁人员, 保安员, 管理员和其他帮助人员。 现代会议厅通常和飞机跑道一样宽阔而且比许多足 球场都要大, 在这样的环境中确定一

31、个特定的人的位置几乎是不可能的。 现在唯一的 选择就是如果某人有手机就打他的手机, 或者用公共的公告系统来广播信息希望他们 能听到或者设法接通。被 RTLS 所加强的 ID 标签能够使会议提供另外一种服务,允 许公司和其他出席者去定位和联系另外一个出席者,当他们在会议场所里闲逛时。 和销售展相似 , 游乐场和县展览会也有成百上千的出席者。 被 RTLS 所加强的 ID 标签的参观者, 比如一个孩子, 失踪了或者和他们的团队分离, 公园里的电话亭就将 成为失踪人们的避难所, 也是其他旅客来确定他们失踪成员的地方。 保安人员能够用 位置应用软件在电脑上去确定 ID 标签在公园里的位置从而定位并使失

32、踪的人员和他们的团队再次在一起。 总结 许多方法已经被发展或者正在被发展来建立实时定位系统。 这种热情是基于这个 系统爆炸的市场，因为他们提高了生产效率，减少了费用而且保证了安全。我们只是 简短的覆盖了RTLS的竞争者，只是把使用802.11WLAN粗略的分成了几种方法，比 如RSS，和其他用专用硬件方法，AOA,TOA,TDOA,TOF。更多方法和这些方法的变 更正在被发展，但是这些方法的关键问题是由多路干涉，时钟同步化，时钟漂移软弱 性所引起的定位不准确度。同时，一些方法也需要昂贵的天线阵，不管在室内还是室 外都有不完全的定位对象， 而且大多数都处于放大或者衰减信号所引起的安全攻击威 胁中。 许多这些困难都通过往返运行法所处理和在SDS-TWR下一个对称的双路的测量 结果。因为扩频脉冲的能量效率问题，所要求的接收器的基本结构不应该是有线的。 相反，