Радиопозиционирование: Методы и Принципы Определение Местоположения с Помощью Радиоволн

Введение

Процесс определения местоположения объекта с помощью радиоволн.

Радиолокация, также известная как радиопеленгация или радиопозиционирование, – это процесс определения местоположения объекта посредством использования радиоволн. Как правило, это относится к пассивному применению, в частности к радиолокации, а также к обнаружению подземных кабелей, водопроводных сетей и других инженерных коммуникаций. Она схожа с радионавигацией, но радиолокация обычно подразумевает пассивный поиск удалённого объекта, а не активное определение собственной позиции; оба являются видами радиоопределения. Радиолокация также используется в системах определения местоположения в реальном времени (RTLS) для отслеживания ценного имущества.

Основные принципы

Объект можно определить, измеряя характеристики принимаемых радиоволн. Радиоволны могут излучаться самим объектом, местоположение которого необходимо определить, либо представлять собой отраженные волны (как в радарах или пассивных RFID-системах). Поисковик шпилек использует радиолокацию, когда применяет радиоволны вместо ультразвука. Один из методов измерения расстояния основан на разнице между мощностью принятого сигнала (RSSI) и мощностью излученного сигнала. Другой метод использует время прихода (TOA), при условии, что известны время передачи и скорость распространения волн. Комбинирование данных TOA, полученных от нескольких приемников, расположенных в разных известных точках (разность времени прихода, TDOA), позволяет оценить положение объекта даже без знания времени передачи. Угол прихода (AOA) на приемную станцию можно определить с помощью направленной антенны или по разнице во времени прихода сигнала на антенную решетку с известным расположением. Информацию об AOA можно комбинировать с оценками расстояния, полученными с помощью ранее описанных методов, для определения местоположения передатчика или рассеивателя. В качестве альтернативы, AOA, измеренный на двух приемных станциях с известным расположением, позволяет определить положение передатчика. Использование нескольких приемников для определения местоположения передатчика называется мультилатерацией. Точность оценок повышается, если в расчетах учитываются характеристики распространения сигнала в среде. Для RSSI это означает электромагнитную проницаемость, а для TOA – возможность приема сигнала не по прямой видимости. Для определения местоположения передатчика с помощью RSSI от одного приемника необходимо знать как излучаемую (или отраженную) мощность объекта, так и характеристики распространения сигнала в промежуточной области. В свободном пространстве мощность сигнала уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния на расстояниях, значительно превышающих длину волны и размеры объекта, однако в большинстве реальных сред возникают различные искажения: поглощение, преломление, затенение и отражение. Поглощение несущественно для распространения радиоволн в воздухе на частотах ниже 10 ГГц, но становится важным на частотах в несколько ГГц, где могут возбуждаться вращательные молекулярные состояния. Преломление играет важную роль на больших расстояниях (десятки и сотни километров) из-за градиентов влажности и температуры в атмосфере. В городской, горной или закрытой среде часто встречаются препятствия и отражения от близлежащих поверхностей, что приводит к многолучевым искажениям: то есть, отраженные и задержанные копии передаваемого сигнала суммируются на приемнике. Сигналы от разных путей могут складываться конструктивно или деструктивно: такие изменения амплитуды известны как затухание. Зависимость мощности сигнала от положения передатчика и приемника становится сложной и часто немонотонной, что делает оценки положения на основе одного приемника неточными и ненадежными. Мультилатерация с использованием множества приемников часто комбинируется с калибровочными измерениями ("создание карты радиополя") для повышения точности. Измерения TOA и AOA также подвержены ошибкам, связанным с многолучевым распространением, особенно когда прямой путь от передатчика к приемнику заблокирован препятствием. Измерения времени прихода наиболее точны, когда сигнал имеет отчетливые временные характеристики в интересующем масштабе времени, например, состоит из коротких импульсов известной длительности, но теория преобразования Фурье показывает, что для изменения амплитуды или фазы за короткий промежуток времени сигнал должен использовать широкую полосу пропускания. Например, для создания импульса длительностью около 1 нс, что примерно достаточно для определения местоположения с точностью до 0,3 м (1 фут), требуется полоса пропускания около 1 ГГц. Во многих диапазонах радиочастотного спектра передача на такой широкой полосе запрещена соответствующими регулирующими органами, чтобы избежать помех другим узкополосным пользователям спектра. В Соединенных Штатах разрешена нелицензионная передача в нескольких диапазонах, таких как 902–928 МГц и 2,4–2,483 ГГц промышленных, научных и медицинских (ISM) диапазонов, но передача высокой мощности не должна выходить за пределы этих диапазонов. Однако в нескольких юрисдикциях сейчас разрешена ультраширокополосная передача в диапазонах шириной в ГГц или несколько ГГц, с ограничениями на излучаемую мощность для минимизации помех другим пользователям спектра. Импульсы СШП могут быть очень короткими по времени и часто обеспечивают точные оценки TOA в городских или закрытых помещениях. Радиолокация используется в самых разных промышленных и военных областях. Радарные системы часто используют комбинацию TOA и AOA для определения положения отражающего объекта с помощью одного приемника. В доплеровском радаре также учитывается эффект Доплера, который определяет скорость, а не местоположение (хотя он помогает определить будущее местоположение). Коммерчески доступны системы определения местоположения в реальном времени (RTLS), использующие калибровку RTLS и TDOA. Широко используемая система глобального позиционирования (GPS) основана на измерении TOA сигналов от спутников, находящихся в известных точках.

An object can be located by measuring the characteristics of received radio waves. The radio waves may be transmitted by the object to be located, or they may be backscattered waves (as in radar or passive RFID). A stud finder uses radiolocation when it uses radio waves rather than ultrasound. One technique measures a distance by using the difference in the power of the received signal strength (RSSI) as compared to the originating signal strength. Another technique uses the time of arrival (TOA), when the time of transmission and speed of propagation are known. Combining TOA data from several receivers at different known locations (time difference of arrival, TDOA) can provide an estimate of position even in the absence of knowledge of the time of transmission. The angle of arrival (AOA) at a receiving station can be determined by the use of a directional antenna, or by differential time of arrival at an array of antennas with known location. AOA information may be combined with distance estimates from the techniques previously described to establish the location of a transmitter or backscatterer. Alternatively, the AOA at two receiving stations of known location establishes the position of the transmitter. The use of multiple receivers to locate a transmitter is known as multilateration. Estimates are improved when the transmission characteristics of the medium is factored into the calculations. For RSSI this means electromagnetic permeability; for TOA it may mean non line of sight receptions. Use of RSSI to locate a transmitter from a single receiver requires that both the transmitted (or backscattered) power from the object to be located are known, and that the propagation characteristics of the intervening region are known. In empty space, signal strength decreases as the inverse square of the distance for distances large compared to a wavelength and compared to the object to be located, but in most real environments, a number of impairments can occur: absorption, refraction, shadowing, and reflection. Absorption is negligible for radio propagation in air at frequencies less than about 10 GHz, but becomes important at multi GHz frequencies where rotational molecular states can be excited. Refraction is important at long ranges (tens to hundreds of kilometers) due to gradients in moisture content and temperature in the atmosphere. In urban, mountainous, or indoor environments, obstruction by intervening obstacles and reflection from nearby surfaces are very common, and contribute to multipath distortion: that is, reflected and delayed replicates of the transmitted signal are combined at the receiver. Signals from different paths can add constructively or destructively: such variations in amplitude are known as fading. The dependence of signal strength on position of transmitter and receiver becomes complex and often non monotonic, making single receiver estimates of position inaccurate and unreliable. Multilateration using many receivers is often combined with calibration measurements ("fingerprinting") to improve accuracy. TOA and AOA measurements are also subject to multipath errors, particularly when the direct path from the transmitter to receiver is blocked by an obstacle. Time of arrival measurements are also most accurate when the signal has distinct time dependent features on the scale of interest—for example, when it is composed of short pulses of known duration—but Fourier transform theory shows that in order to change amplitude or phase on a short time scale, a signal must use a broad bandwidth. For example, to create a pulse of about 1 ns duration, roughly sufficient to identify location to within 0.3 m (1 foot), a bandwidth of roughly 1 GHz is required. In many regions of the radio spectrum, emission over such a broad bandwidth is not allowed by the relevant regulatory authorities, in order to avoid interference with other narrowband users of the spectrum. In the United States, unlicensed transmission is allowed in several bands, such as the 902 928 MHz and 2.4 2.483 GHz Industrial, Scientific, and Medical ISM bands, but high power transmission cannot extend outside of these bands. However, several jurisdictions now allow ultrawideband transmission over GHz or multi GHz bandwidths, with constraints on transmitted power to minimize interference with other spectrum users. UWB pulses can be very narrow in time, and often provide accurate estimates of TOA in urban or indoor environments. Radiolocation is employed in a wide variety of industrial and military activities. Radar systems often use a combination of TOA and AOA to determine a backscattering object's position using a single receiver. In Doppler radar, the Doppler shift is also taken into account, determining velocity rather than location (though it helps determine future location). Real Time Location Systems RTLS using calibrated RTLS, and TDOA, are commercially available. The widely used Global Positioning System (GPS) is based on TOA of signals from satellites at known positions.

Международное регулирование

Служба радиолокации (сокращенно: РЛС) – согласно статье 1.48 Радиорегламента Международного союза электросвязи (ITU) (RR) – определяется как "служба радиолокации, предназначенная для определения местоположения объектов", где радиолокация определяется как: "определение местоположения объектов с использованием радио, не связанное с радионавигацией".