RTLS 实时定位系统--实现方法介绍
Smart X Tech
2023-02-13
什么是实时定位系统 RTLS
实时定位系统 （RTLS） 使您能够以数字方式跟踪大型室内设施中物理事物的实时位置和移动.
作为一种室内定位系统， RTLS 主要利用射频 （RF） 技术，如 UWB， BLE和啁啾， 以及无线设备， 如跟踪标签和智能手机,以及其他集成组件,连续确定 GPS 无法到达区域中人和物体的位置.这提供了可操作的位置数据，可用于实时可视化关键人员、资产、重要设备等的位置， 室内地图或集成到自动化工作流程和系统中，例如支持物联网的安全应用程序、资产和供应链管理解决方案等。
RTLS实时定位系统工作方式
实时定位系统运行的具体方式可能因系统而异， 但所有 RTLS 都利用连接的硬件和软件组件网络来跟踪定义区域内人员和物体的位置.
为了实现室内定位，实时定位系统主要依靠 UWB、蓝牙、Wi-Fi 和线性调频等射频技术，这些技术支持一组发射、接收或两用收发设备之间的无线通信，以确定目标对象的位置。发射设备，RF跟踪标签或智能手机将以连续的间隔发送数据编码的RF传输或位置“闪烁”。
RTLS 接收器 （锚点或读取器）部署在固定位置， 如安装在墙壁上和通信范围内将接收和读取来自发送设备的接收信号。定位点接收的位置数据以及某些应用中的物联网数据（温度、电池等）随后被转发到定位引擎软件以计算设备的位置。
不同的RTLS技术, 用于确定位置的方法有所不同
有些使用基于距离的计算(通过计算时间来测算距离)，它往往提供比接收信号强度指示器 （RSSI） 更准确的结果。
一些实时定位系统依赖于固定的传输设备， 例如蓝牙信标， 它们定期广播信号，可以被其他支持 BLE 的设备（如智能手机）检测到. 然后，这些支持BLE的设备从信标中收集位置数据，并将其转发到室内定位应用程序，以确定设备的位置并触发特定操作.
除了实时位置跟踪应用， RTLS 组件还可以支持两个设备之间通信的测距应用， 例如两个收发器标签，可用于确定它们之间的相对距离， 实现基于邻近的应用.
90年代，RTLS 的首次商业部署在美国各地的三家医疗机构内启动. 从那时起，RTLS 的类别已显着扩展，包括新型射频技术和大幅改进的硬件和软件工具.
RTLS准确度如何
实时定位系统的精度差异很大，具体取决于每个系统使用的基础射频技术和定位技术。对于需要高精度的应用，像UWB标准可以提供高精度位置信息，通过基于到达时间的位置计算，精度在 10-50 厘米之间。
利用基于距离的位置计算的技术，如线性调频（CSS）可以提供1-2米的高精度。
UWB和线性调频在抗RF干扰方面也表现良好，有助于确保准确的结果，而其他技术更容易受到这些影响，从而降低定位结果。
其他传统定位技术（如 Wi-Fi 和蓝牙）通常在 1-10 米之间提供不太准确的结果。这是因为大多数支持 Wi-Fi/蓝牙的应用程序都依赖于基于接收信号强度指示器 （RSSI）的多点定位，其精度不如 UWB 等技术。
在某些应用中，精度不是必需的，米级精度就足够了。然而 Wi-Fi 和蓝牙技术的新技术通过允许在其架构中实施飞行时间 （ToF） 和到达角 （AoA） 计算来实现更精确的定位。
RTLS 所需的精度水平因个人客户的需求和应用条件而异。 一些用户需要高精度才能在大型工业环境中立即精确定位关键设备， 而其他人可能只需要知道资产的大致位置. 精度要求可以也根据部署的 RTLS 参考点的数量确定。
RTLS 各技术比较
UWB超宽带
UWB 是一种尖端的射频技术，可为 UWB 标记的物体提供精确定位和精确定位，精确到厘米级。它可以在短距离内传输非常高的数据速率，并实时精确定位。它还消耗很少的功率，允许经济实惠且高效的硬件选项，例如带有纽扣电池的跟踪标签，该电池可以运行多年而无需充电或更换。
UWB之所以如此精确，是因为其基于距离的测量，它根据无线电脉冲从一个设备传播到另一个设备所需的时间来计算位置。虽然这仅适用于较短的范围，但可以以小于 50 厘米的精度（在最佳条件和部署下）和极低的延迟确定 UWB 信号的位置。
线性调频扩频 （CSS）
线性调频扩频也称为线性调频，是一种独特的射频技术，具有远程定位、室内到室外支持和低功耗要求等明显优势。它是远程可访问性的强大组合， 1-2 m 精度， 和性能可靠性使其成为最通用的 RTLS 技术之一. 它尤其擅长工业级部署，并且比其他技术需要更少的基础设施来实现出色的 投资回报率.
无线网络WIFI
Wi-Fi 的广泛存在和可访问性使其成为 RTLS 应用的一个非常重要的标准. 它可以在许多基于位置的用例中使用，并提供通过现有 Wi-Fi 接入点和基础设施轻松开始室内定位的选项。
WIFI 解决方案使用现有的 Wi-Fi 接入点或支持 Wi-Fi 的传感器来检测和定位整个室内空间的传输 Wi-Fi 设备，例如智能手机和跟踪标签。由传感器或接入点收集或从 AP 发送到客户端设备的位置数据由各种定位应用程序摄取，并转化为支持多个位置感知用例的见解。
基于Wi-Fi的定位系统可以使用不同的方法来确定设备的位置。大多数依赖于基于接收信号强度指示器（RSSI）的技术。但是，某些应用程序可以利用更高级的Wi-Fi定位方法。
低功耗蓝牙BLE
BLE具有独特的特性，使其成为RTLS最受欢迎的射频技术之一. BLE在无线设备中占有重要地位，具有广泛的低功耗，低成本且易于实施的硬件选项，以及在许多基于位置的应用中使用的灵活性。BLE解决方案使用支持 BLE 的传感器或信标来检测和定位传输蓝牙设备， 例如智能手机或整个室内空间的跟踪标签. 传感器收集或从信标发送到移动设备的位置数据随后被各种定位应用程序获取，并转化为支持多个位置感知信息。
无线射频识别RFID
RFID技术主要分为两类 - 无源RFID和有源RFID。无源RFID依赖于无电池标签，这些标签从RFID阅读器接收信号，然后在通信范围内为标签供电。由此，可以确定标签的位置，尽管由于对物理障碍物的干扰。无源RFID通常只能产生短距离定位。无源RFID是一种低成本的选择，适用于只需要识别的部署。有源 RFID – 包括带有集成电池的标签和接收器，其操作方式类似于无源 RFID 的方式。它们通常比同类产品更贵，但范围更长。但是，它们仍然容易受到物理障碍物的干扰，就像无源RFID一样。
超声波 Ultrasonic
超声波是射频和光学定位技术的声音替代品。部署使用超声波，这些超声波能够确定物体的精确位置，但会遇到物理障碍，例如墙壁，这将超声波的有效性限制在房间级精度。
红外线 （IR）
IR 不是一种广泛使用的 RTLS 技术， 但除了有或没有其他射频标准之外，它还可用于定位.红外线与电视遥控器中使用的技术相同。就像遥控器一样，基于红外的标签可以向接收设备发送光信号，并使用它来确定其位置。红外线需要发射器和接收器之间的视线才能正常工作，并且仅限于提供房间级精度。虽然 IR 标记的成本通常非常低，但部署需要昂贵的基础结构来跟踪标记，而大多数组织可能还没有这些基础结构。
室内定位技术
到达时差 Time-Difference of Arrival （TDoA)
TDoA利用部署在整个室内空间固定位置的 UWB 或线性调频锚点。然后，这些定位点检测并定位传输设备，例如跟踪标记。为了正常工作，固定锚点需要精确同步以在同一时钟上运行。标签或其他设备将定期传输信号。这些信号将由通信范围内的任何锚点接收，并由锚点加盖时间戳。然后，所有带有时间戳的数据都发送到中央 IPS 或 RTLS中央处理器.
位置引擎将分析每个定位点的数据以及每个定位点到达时间的差异，并使用多点定位来计算标签的坐标。这些坐标可用于在空间的室内地图上可视化设备的位置，或用于其他用途，具体取决于特定应用。
双向测距Two Way Ranging (TWR)
在 TDoA 中，多个固定定位点协同工作以确定移动对象的位置， 双向测距主要使用两个设备（如智能手机或车辆标签）之间的双向通信来感知它们之间的距离。这意味着无需任何额外的基础设施即可创建自主碰撞感知系统。
使用TWR，当一个设备靠近另一个设备时，两个设备将开始相互测距以确定它们的距离，即使它们在通信时也是如此。然后将信号在它们之间传播所需的时间乘以光速，并经常用于确定它们的相对位置，以实现位置感知通信。
到达角 (AoA）
AoA 是一种先进的定位方法，与指纹识别和 RSSI 等更传统的技术相比，它可以提供更高的准确性。由于采用多输入多输出 （MIMO） 天线接口，更高的精度是可能的。为了能够找到方向， 移动资产， 例如带有单个天线的标签或信标， 传输到具有多天线阵列的固定 RTLS 传感器。接收信号，测量和计算多个天线的相移，以确定发射移动设备的角度并创建要定位的物体的确定区域。
AoA 方法的一个优点是它减少了必要参考点的数量。您不需要任何多边定位方法所需的至少三个传感器，而只需要两个传感器即可创建明确的位置确定。额外的参考点增加了计算位置的准确性和可靠性。虽然通过AoA进行室内定位比信号强度方法更准确，但利用这种技术的解决方案才刚刚进入市场。
接收信号强度指示器 （RSSI）
在基于 RSSI 的应用中， 部署在固定位置的多个现有 RTLS 传感器将检测发射设备和来自设备的信号的接收信号强度.传感器收集的此位置数据将发送到定位引擎。定位引擎分析数据并使用多点定位算法来估计传输设备的位置。或者，附近传感器相对于无线设备的信号强度可用于确定设备的位置。 使用基于RSSI的多点定位方法是最容易激活和低成本的室内定位选择。但是，它不能提供高度的位置精度，因为它会受到信号衰减、吸收、反射和干扰的影响。
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