CSS(ISO 24730-5)巻尺とワイヤなしの距離の測定

前のトピックの1つで、ロシアの最初のリアルタイム測位システムについて説明しました。 このトピックは、「どのように機能するか」に興味のある人向けです。 ラジオ周波数法を使用して距離を測定することから始めます。

計画上のマークの位置を決定するために、RTLS LLCは、図のように、既知の空間位置を持つ3つ以上のアンカー(A)までのマーク(M)によって測定された距離に基づいて各マークの位置を計算する方法を適用します。







距離を測定するには、次の2つの技術が使用されます。

CSS (チャープスペクトラム拡散)-短いチャープパルスを使用し、

SDS-TWR (対称両面ツーウェイ測距)は、対称の双方向双方向距離測定です。

この技術は、送信機から受信機への無線信号の伝播時間(飛行時間)の測定に基づいており、それぞれ国際規格ISO 24730-5およびIEEE 802.15.4-2011に準拠しています。

このトピックはCSSテクノロジーに関するものです。



RTLS LLCによって適用されるCSSテクノロジーは、以下によって区別されます。

1)ほとんどの産業用アプリケーションの測定精度に最適(30メートルの距離で90パーセントの信頼度で1メートルの誤差)屋内;

2)高いノイズ耐性。

3)マルチパス減衰に対する耐性。

4)最小消費電力タグ(再充電せずにバッテリー寿命を延ばすため);

5)最低コスト。



RTLSポジショニングシステムの構造



ブロック図を図に示します。









システム内の距離測定は、ISO 24730-5に準拠した双方向無線インターフェースを介してインフラストラクチャ要素とパケットを交換するタグによって実行されます。 アプリケーションプログラミングインターフェイス(RTLSアプリケーションAPI)を介したインフラストラクチャはサーバーに接続され、インフラストラクチャ、ラベル、および測定プロセスを管理し、測定結果とラベルのステータスに関する情報を取得します。 RTLSシステムのインフラストラクチャは、IPチャネルによってサーバーに接続されたZigBeeワイヤレスメッシュゾーン(IEEE 802.15.4)で構成されています。 各ZigBeeネットワークベースステーションには、タグ付けのための追加の無線インターフェイスがあります。 (次のトピックの1つはRTLSインフラストラクチャに当てられます)。

次に、サーバーには、システムが受信したデータを他の自動化システムに転送できる外部標準APIがあります。



RTLSシステムでは、タグはネットワークの一部ではなく、データのルーティングと送信に参加しません。つまり、距離を測定し、測定結果をトランスポートネットワークを介してサーバーに送信すること以外はすべて免除されます。 これにより、タグを簡素化し、エネルギー消費と価格を削減できました。



タグは、図に示す双方向無線インターフェイスを介してインフラストラクチャと対話します。







このインターフェースについて、ISO 24730-5規格は、周波数範囲、無線波形、変調、コーディング、パケット形式、コマンド、およびその他のパラメーターを定義しています。 インターフェイスプロトコルスタックには次のものが含まれます。

PHY-伝送媒体のパラメーター(動作周波数、チャネル幅など)を定義する物理層。

MAC-環境へのアクセスレベル。エンコードパラメータ、パケット形式などを決定します。

API-ラベルのステータスとその変更順序、コマンドとそのパラメーターのリスト、インフラストラクチャ要素とパケットを交換するためのプロトコルなどを決定するアプリケーションレベル。



システム運用



含める時点では、ラベルのステータスは初期であり、「デフォルトプロファイル」が使用されます。 ラベルは定期的に短いブロードキャストパケットを送信します-点滅します。 各点滅には、タグの物理アドレス、そのステータス、およびタグがインフラストラクチャからコマンドを受信する準備ができている時間に関する情報が含まれます。

適切なコマンドを備えたインフラストラクチャは、距離を測定するアンカーと頻度、ラベル、測定セッション数、結果を送信するためのアドレスを示します。 ラベルの動作を変更するには、ラベルのステータスを変更し、モードと測定パラメータを設定して適切なコマンドを送信します。

ラベルが特定の時間に次のコマンドを受信しない場合、ラベルは初期状態に戻り(「デフォルトプロファイル」を使用する)、点滅を定期的に送信して通信を回復します。 RTLS Webサイトwww.rtlsnet.ru/technology/view/2の記事の付録で、ラベルの状態と制御コマンドについて詳しく読むことができます。



距離測定技術:チャープスペクトラム拡散(CSS)



CSSテクノロジーは「チャープ」パルスを使用します(文字通りの翻訳ではチャープはツイートを意味し、ロシア語ではCSSは線形周波数変調-チャープを表します)。 チャープパルスは、単調に増加または減少する周波数のパルスです。 チャープパルスの低周波数と高周波数は、規格で指定された周波数範囲の制限に対応しています。

自然界では、イルカとコウモリはチャープパルスを使用して何百万年も距離を測定します。 チャープレーダーでは、パルスが最初に使用され、1940年にGuttman教授によって特許が取得されました。 キヤノンは1990年代半ばに、光ファイバーシステムでチャープパルスを使用する特許を取得しました。 そして1996年に、Nanotron Technologiesは研究を開始し、その後ワイヤレスデータ転送用にCSSの特許を取得しました。

CSSは無線周波数技術であり、バッテリー駆動のデバイスで通信の信頼性と低消費電力が特に重要となるアプリケーションに最適です。 CSSデータ転送速度は平均です(最大2 Mb / s)。



仕組み



CSSパケットは、図に示すように、2つのタイプのパルスでChirpによって送信されます。周波数が増加(Upchirp)または減少(Downchirp)します。













ISO 24730-5規格は、CSSに対して2.45 GHzの中心周波数、80 MHzの帯域幅、1μsの固定パルス幅を確立しています。

CSSテクノロジーでは、情報はチャープパルスのコード化されたシーケンスを使用して送信されます。 シンボル「1」はアップチャープインパルスに対応し、シンボル「0」はダウンチャープインパルスに対応します。 シーケンスのデコードは、2つの相補的な(互いに補完する)分散遅延線(DLZ)によって実行されます。 コード化されたシーケンスは両方のラインの入力に供給されますが、DLZのパラメーターは、異なる周波数の信号が異なる速度でDLZを通過するように選択されます。 1つのDLZ(図では-上)では、高周波数は遅延ラインをより速く伝搬し、2番目の低周波数ではより速く伝搬します。 その結果、低周波数で始まり高周波数で終わるアップチャープインパルスは、DLZ Upを通過して「圧縮」されます。 高周波の終わりは低周波の始まりを「キャッチアップ」し、出力のパルスの時間エネルギーに最初に均等に分配された短いパルスに現れ、その振幅は入力信号の振幅よりも何倍も大きいことがわかります。 それどころか、DLZ Upを通過するダウンチャープインパルスは時間とともに「侵食」され、その振幅は減少します。 したがって、シンボル「1」に対応するパルスは、DLZ Upの出力に表示されます。 2番目のDLZ(図下)では、ダウンチャープパルスが「圧縮」され、DLZの出力にシンボル「0」に対応するパルスが現れるため、低周波数がより速く伝播します。









デコードに加えて、DLZはブロードバンドノイズだけでなく、干渉に対する耐性を高めます。 結論として、干渉(ノイズ)は、チャープパルスとは異なり、周波数スペクトルが変化せず、変更なしでDLZを通過します。 DLZの「圧縮された」チャープパルスは、最初のチャープパルスに比べて振幅が大きく、ノイズやノイズと簡単に区別されます。

CSSのもう1つの利点は、マルチパス減衰に対する耐性です。 2.4 GHz帯域の送信機信号は、通常、いくつかのエコー信号の「伴奏」で受信機に到達します-障害物からの反射、または直接視認できない場合のエコー信号の形でのみです。 信号伝搬経路の長さは異なるため、反射は主信号に対して位相がずれています。 狭帯域システムでは、これは通信の中断につながります。 CSSは、歪んだ信号と位相シフトした信号が全体として周波数スペクトルを保持するという事実によって区別されます。これにより、DLZで元の信号の80メガヘルツ帯域に分布するすべてのエネルギーを実質的に収集できます。



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