Будущее позиционирования: обзор технологий

Будущее позиционирования: обзор технологий

Как всем известно, технология GPS практически безупречна для позиционирования…только до тех пор, пока мы находимся в чистом поле. Даже сотовые телефоны могут обеспечивать метровую точность позиционирования под открытым небом. И с технологией Assisted GPS (A-GPS) эти самые телефоны сгладили два наиболее острых момента: большое время установления связи со спутниками и работа только вне помещений. A-GPS дает возможность работать уже спустя секунду после холодного старта, и в некоторых случаях – работать в помещениях.

Однако у современных технологий позиционирования еще много недостатков, особенно когда вопрос касается работы внутри зданий и в кварталах с плотной застройкой. Термин «GPS в помещениях» сравним с внедорожником: последний позволит ехать по полю, но не способен подняться на любую гору. Аналогично и в помещениях: не в каждом складываются достаточные условия для приема GPS сигнала.

В этой статье будут рассмотрены технологии, которые при комплексном использовании позволят развить городскую навигацию и навигацию внутри помещений.

Спутниковые технологии позиционирования

Вероятней всего, в течение ближайших двух-трех лет комбинированные мульти-GNSS системы вытеснят односистемные (к примеру, вместо приемников GPS будут использоваться приемники GPS/ГЛОНАСС). И не потому, что это приведет к решению проблемы навигации в помещениях, а потому, что это дает реальное преимущество при плотной застройке.

Наибольшие перспективы внедрения в мульти-GNSS в ближайшее время у ГЛОНАСС, потому что он уже работает, и у QZSS, поскольку ее час настает: первый QZSS спутник недавно начал работать на передачу. Рассмотрим все прелести мульти-GNSS на примере QZSS.

На рисунке 1 представлена модель улицы в Синдзюку (Япония), типичный район с плотной высотной застройкой и «темный угол» для GPS. Голубыми точками показано положение приемника GPS. Белыми и оранжевыми линиями показаны фактические векторы прямой видимости для GPS спутников с тем отличием, что белые линии указывают на спутники в прямой видимости, а оранжевые – на спутники, перекрываемые зданиями. Однако высокочувствительный GPS приемник принимает сигналы и от этих спутников, отраженные от зданий и различных многочисленных препятствий. Таким образом, рушится вся концепция GPS, заключающаяся в измерении расстояния по времени прохождения сигнала: отраженные сигналы преодолевают больший путь, чем положено. И даже если приемник может отличать отраженный сигнал от прямого, в реальности в такой ситуации показатель HDOP, определяющий точность по горизонтали, будет достигать 58. Теперь добавим в эту картину еще два спутника QZSS, направления на которые показаны зелеными линиями. Позиция будет рассчитываться по данным от пяти спутников (3 GPS + 2 QZSS) и показатель HDOP будет ниже 3.

Рис. 1. Модель улицы в Синдзюку и направления на навигационные спутники

Эта иллюстрация наглядно показывает проблему плотной застройки и значение дополнительных спутников. Проблема заключается в том, что в текущий момент в зоне прямой видимости недостаточно спутников. Это ставит разработчиков приемников перед сложным выбором: принимать только сильные сигналы и их будет недостаточно для определения позиции, или принимать и слабые сигналы и в результате получать большую ошибку из-за искажения траектории отраженных сигналов. Кроме того, отраженные сигналы могут не отличаться от прямых, особенно в мобильных телефонах, где используются слабые направленные антенны – так что мощность входного сигнала не может являться надежным индикатором того, прямой или отраженный сигнал принят.

Этот пример отметает ложное представление о том, что дополнительные спутники не улучшают HDOP. В нашем случае HDOP улучшается почти в 20 раз, с 58 до 3. Легко найти любой другой пример успешного применения GPS и ГЛОНАСС либо другой комбинации GNSS. Чаще всего, дополнительные спутники значительно улучшают ситуацию.

Система QZSS использует наклонную геостационарную орбиту для обеспечения близкого к зениту положения спутника в Японии (и как следствие, в прилегающих территориях). В этом отношении она является уникальной среди основных GNSS: она предназначена исключительно для поддержания уверенного приема в городах «домашнего» региона. Китайская система Compass на данном этапе развивается подобным образом, но в конечном счете планируется как глобальная.

Некоторые другие спутниковые системы, такие как системы связи, используют наклонную геостационарную орбиту, аналогично QZSS. Исходя из этого, у европейских налогоплательщиков есть веские основания поинтересоваться, почему система Galileo должна комплектоваться спутниками на средней околоземной орбите, проводящими много времени над Америкой и Азией, и обеспечивать глобальное покрытие, не отдавая при этом максимальной выгоды для Европы. В то же время, это выгодно другим странам мира.

Рисунки 2 и 3 показывают, как три спутника группировки QZSS обеспечивают более качественное покрытие для высотных районов Токио, чем все 30 спутников GPS, вместе взятых.

Рис. 2. Возвышение спутников QZSS над горизонтом для Токио. Один из трех спутников всегда находится выше 70 градусов

Рис. 3. Возвышение спутников GPS над горизонтом для Токио. Около половины времени ни один из 30 спутников не находится выше 70 градусов

Чипы с поддержкой QZSS уже используются в телефонах и планшетах, доступных на азиатском рынке. Примером может служить чип Broadcom BCM4751, первый в мире GPS/QZSS чип.

Wi-Fi

Вслед за GNSS в ряду технологий, использующихся для позиционирования, стоит технология беспроводных локальных сетей, известная для общественности как Wi-Fi. Применять ее для позиционирования стало возможно благодаря использованию базы данных MAC-адресов и позиций. Когда мобильные устройства попадают в зону действия точки доступа Wi-Fi, им передаются данные о расположении этой точки доступа. Результирующее положение мобильного устройства определяется методом усреднения, и в местах с большим количеством точек точность позиционирования составляет десятки метров.

Позиционирование посредством Wi-Fi используется во многих смартфонах наряду с GPS. Точность позиционирования с использованием этой технологии достаточно высока, и это существенно помогает там, где сигнал GPS слабый (в особенности это касается городов). В Манхэттене, например, количество точек на квадратный километр превышает 25 тысяч (см. рис).

Рис. 4. Карта Манхэттена и она же с нанесенными точками Wi-Fi

Несколько крупных компаний, включая Apple, Broadcom и Google, имеют базы данных точек доступа с данными по местоположениям и используют их в своих мобильных устройствах.

Акселерометры и гироскопы

Акселерометры и гироскопы, которые относят к микроэлектромеханическим системам (MEMS), представляют собой датчики с подвижными частями, благодаря которым можно определить ориентацию устройства в пространстве или его движение. Оба датчика нашли широкое применение в смартфонах, где они используются для того, чтобы установить правильную ориентацию экрана (книжную или альбомную), а также для игр. Поскольку они уже и так включены в устройство, они являются естественным дополнением к технологии позиционирования, и многие компании стараются связывать датчики движения с GPS для улучшения точности в помещениях и городских районах.

В качестве примера использования датчиков движения в качестве дополнения к технологии GPS приводится следующий рисунок. На нем представлены реальные данные, полученные в ходе испытаний в районе с плотной высотной застройкой.

Рис. 5. Данные позиционирования с использованием только GPS (красные точки) и GPS + MEMS (синие точки).

Данный принцип дополнения уже сейчас используется в смартфонах и некоторых навигаторах.

Магнитный компас

Аналогично акселерометрам и гироскопам, магнитный компас уже встроен во многие смартфоны. Для определения магнитного севера используются различные технологии, включая датчики Холла, индукционный компас, а также MEMS. На производительность таких устройств в известной мере влияет близкое расположение металлических предметов, и еще большее влияние оказывают расположенные неподалеку магниты. Пользователи могут не замечать магниты вокруг себя, но их достаточно много в современном техническом окружении, особенно в автомобиле. Любая система для воспроизведения звука содержит магнит, и чем мощнее система, тем сильней магнит.

Исходя из этого, магнитные датчики сами по себе не слишком надежные помощники в позиционировании, но в сочетании с другими датчиками – гироскопами и акселерометрами – могут быть очень полезными, особенно в приложениях для пешеходов.

Альтиметры

Альтиметры представляют собой еще один вид датчиков семейства MEMS. Обычно принцип действия их основан на измерении уровня деформации индикаторной поверхности в результате атмосферного давления с помощью пьезоэлектрических датчиков. Интеграция альтиметра с GPS уже хорошо зарекомендовала себя в таких устройствах, как туристические навигаторы. Подобная интеграция также оправдывает себя в других потребительских устройствах, особенно в смартфонах.

Сотовые технологии позиционирования

Три сотовых беспроводных технологии AFLT, MRL и Cell-ID являются составляющими A-GPS.

AFLT используется в телефонных системах CDMA, где вышки сотовой связи точно синхронизированы по времени GPS. Благодаря точной синхронизации времени можно воспользоваться сотовым сигналом для измерения расстояния от базовой станции, используя временные задержки по аналогии с GPS. CDMA телефоны с GPS обычно используют AFLT при позиционировании внутри помещений.

MRL является аналогией AFLT для UMTS и не синхронизированных систем. MRL представляет список соседних базовых станций и мощность сигнала от них. Уровень мощности используется для оценки расстояния и определения позиции. Точность такого способа позиционирования не настолько хороша по сравнению с AFLT, но может быть меньше ста метров, особенно в крупных городах. Такой точности уже достаточно для работы приложений по определению местоположения при чрезвычайных ситуациях, таких как E-911.

Cell-ID представляет собой простой поиск в базе данных позиции, соответствующей соте ID. Эта технология аналогична позиционированию с помощью Wi-Fi, но гораздо менее точна, поскольку радиус охвата соты гораздо больше радиусу охвата точки доступа Wi-Fi. Но все же, данная технология лежит в основе других, более продвинутых технологий позиционирования. Так, для работы AFLT и MRL требуется Cell-ID в качестве необходимого компонента.

Цифровое телевидение и радио

Позиционирование с помощью цифрового телевидения (DTV) осуществляется с помощью оценки расстояния от башни DTV, аналогично GPS и AFLT. Однако DTV башни не синхронизированы друг с другом точно, и позиционирование по ВЕМ требует построения инфраструктуры, связывающей смещения часов на различных башнях.

Позиционирование с DTV в некотором смысле является противоположностью Cell-ID. Несмотря на небольшую точность, Cell-ID используется очень широко, в то же время как DTV может быть точной, как GPS, но экономически провалился. Но, даже учитывая это, в будущем у технологии позиционирования с помощью DTV есть неплохие шансы получить второе дыхание: популярность цифрового телевидения и радиовещания в последнее время возросла.

Псевдоспутники

Псевдоспутники, или псевдолиты (от англ. pseudolites) транслируют GPS-подобные сигналы c наземных передатчиков. Обычно эти сигналы несколько отличаются от сигналов GPS по частоте, однако в остальном они абсолютно схожи и могут приниматься обычным GPS приемником без дополнительного оборудования.

Точность позиционирования по псевдолитам может достигать пяти сантиметров при измерении фазы несущей. Для работы необходимо сложное и точное оборудование передатчиков, что сильно повышает стоимость. Однако псевдолиты высоко ценятся и занимают свою нишу на рынке.

IMES и маяки

Технология IMES позволяет реализовать полноценное позиционирование внутри помещений, и с этой точки зрения она наиболее интересна из всех. IMES использует маяки – радиопередатчики, выдающие очень слабый сигнал, который предназначен только для передачи данных (но не для определения расстояния, и в этом ее основное отличие от псевдолитов). Мощность каждого передатчика IMES настолько низка (от 0,1 до 0,4 нановатт), что сигнал может быть принят только в радиусе 10 метров от передатчика. Сигнал модулирован кодированными PRN (PRN числа с 173 по 182) данными, содержащими информацию о местонахождении передатчика. Система позиционирования работает по принципу «если ты меня слышишь, то ты здесь». Как очевидно, точность такой системы не превышает десяти метров.

Сообщения, транслируемые передатчиком, содержит широту, долготу и номер этажа. IMES может работать с любым GPS приемником, который способен декодировать последовательность PRN.

Поскольку необходимость синхронизации передатчиков отпадает, стоимость одного передатчика становится невысокой. Однако для работы системы требуется установка большого количества передатчиков (по крайней мере один на 10 квадратных метров), что сопрягается с большими усилиями на развертывание системы. В приложении к документации на систему QZSS описана система IMES, но когда и как она будет развернута – остается вопросом.

Даже если планы по развертыванию системы IMES останутся только на бумаге, могут возникнуть другие подобные системы, основанные на маяках. Но для их массового развертывания требуется поддержка на государственном уровне, только тогда они станут реальностью для потребителей.

Выводы

GPS дает отличные результаты позиционирования в случае прямой видимости достаточного количества спутников. В последние десятилетие неплохие результаты показывает A-GPS, и именно благодаря этому она стала преобладающей технологией на потребительских платформах, таких как смартфоны и планшеты. Но до сих пор у разработчиков остро стоят вопросы позиционирования в условиях городской застройки и в помещениях.

Поиск ответов на эти вопросы приводит нас к другим технологиям. Можно достичь желаемого увеличением количества спутников, датчиков и беспроводных методов позиционирования. Наиболее существенным дополнением к GPS в юближайшие годы будут ГЛОНАСС и QZSS, а также технологии MEMS, магнитные датчики, Wi-Fi и сотовые технологии позиционирования.

Условно говоря, если 1960-е и 70-е года были годами зарождения концепции GPS, 1980-е – десятилетием развития и рождения, 1990е – годами введение в свет. С 2000 года длилось десятилетие адаптации на массовом рынке, а в 2010-х годах нас ждет десятилетие GPS-плюс: развитие других GNSS и других датчиков.

Франк Ван Диггелен (Frank van Diggelen), GPS World, декабрь 2010.

По материалам:

http://www.gpsworld.com/consumer-oem/handheld/down-and-deep-10830?page_id=2

Подготовили:

Василий Довгошей, Виктор Зорин

Права на перевод ©GPSClub.ru

Публикация без согласия Авторов перевода запрещена.