Этот топик продолжает серию, посвященную новой технологии позиционирования (локации) людей и предметов в помещении (на территории). Ранее опубликованы: http://habrahabr.ru/post/151496/ и http://habrahabr.ru/post/153237/ .
Позиционирование в системе РТЛС осуществляется путем измерения расстояний от метки до трех или более анкеров с последующим вычислением координат метки. А метод SDS-TWR (симметричного двухстороннего двунаправленного измерения расстояния) позволяет обеспечить необходимую точность, не прибегая к дорогостоящей синхронизации.
Метод регламентируется стандартами ISO/IEC 24730-5 и IEEE 802.15.4-2011.
В системе РТЛС расстояние измеряется между меткой и анкером – двумя беспроводными устройствами, не синхронизированными между собой. Измерение осуществляется в процессе обмена пакетами: запрос – ответ.
Последовательность обмена пакетами при измерении показана на рисунке:
Для обеспечения необходимой точности проводится два симметричных цикла измерения. Первый инициируется меткой, второй – анкером.
В первом цикле метка отправляет пакет-запрос на анкер, засекая при этом момент отправки. Пакет доходит до анкера через помежуток времени, необходимый для прожождения радиосигналом расстояния от метки до анкера — time of flight. Собственно, именно это время и требуется измерить, чтобы определить расстояние. Анкер засекает момент прихода пакета и по своим внутренним часам отсчитывает от этого момента стандартный отрезок времени – время отклика (по стандарту до пяти миллисекунд) и направляет метке пакет подтверждения. По прошествии time of flight подтверждение достигает метки, и метка по своим часам определяет время цикла с момента отправки запроса до момента получения подтверждения. Время цикла состоит из удвоенного time of flight и времени отклика анкера.
Казалось бы, этого достаточно, чтобы определить расстояние между меткой и анкером: вычесть из времени цикла время отклика и разделить пополам. Это так, но точность такого измерения окажется низкой. Дело в том, что результат будет включать погрешность часов (кварца) метки плюс погрешность часов (кварца) анкера. ISO/IEC 24730-5 ограничивает допустимую погрешность тактовых генераторов величиной 80 ppm (долей на миллион). Легко посчитать, что для времени отклика 5 мс погрешность измерения составит 200 нс. (Подробнее расчет есть здесь: http://www.rtlsnet.ru/technology/view/2). Если умножить эту погрешность на скорость распространения радиосигнала – около 300 миллионов метров в секунду или 0,3 м/нс, получим погрешность 60 м. Логичные, казалось бы, предложения сократить время отклика или повысить точность кварца не проходят. В первом случае придется сократить длину пакета и соответственно его полезную нагрузку. Во втором – неоправданно увеличить цену прибора, т.к. цена кварца с ростом точности быстро растет.
Выход – в использовании второго, симметричного первому цикла измерения.
Теперь уже анкер, выждав определенное время задержки, направляет метке свой пакет-запрос. И заодно в полезной нагрузке пакета сообщает метке время отклика первого цикла. Во этом цикле уже метка отсчитывает по своим часам время отклика, а анкер измеряет по своим время второго цикла и затем отправляет результат на метку.
После завершения обмена пакетами в распоряжении метки оказываются четыре величины: время отклика и цикла, измеренные меткой и время отклика и цикла, измеренные анкером. Эти величины метка направляет на сервер для расчета расстояния.
Сервер суммирует время цикла метки и время цикла анкера, вычитает время отклика метки и время отклика анкера, а полученный результат делит на четыре.
Казалось бы, все как в первом случае. Однако теперь погрешность измерения в одном направлении по большей части компенсируется погрешностью измерения в противоположном направлении и сказывается только на разнице времен отклика метки и анкера. (Подробности здесь: http://www.rtlsnet.ru/technology/view/2) А поскольку эта разница в соответствии со стандартом ISO/IEC 24730-5 не должна превышать одной микросекунды, максимальная погрешность измерения становится равной 40 пс. Или в пересчете на расстояние – 12 мм.
Такова погрешность метода.
Естественно, дополнительные погрешности вносят дисперсионные линии задержки, многолучевое затухание и другие факторы, но это уже проблемы реализации. Так, ведущий мировой производитель подобных систем и чипов Nanotron Technologies обеспечивает точность позиционирования в помещениях 2 метра, использование показаний встроенного в метку MEMS акселерометра позволяет повысить точность до 1 метра.