定位终端设备与Semtech罗拉云™地理定位服务
介绍
能够定位终端设备是最重要的一个技术对无线传感器附加价值,很多物联网(物联网)应用程序。各种定位技术是可用的,尽管全球定位系统(GPS)可能是最广为人知。然而,在许多情况下GPS可能不是最好的选择;例如,室内应用GPS信号会弱,或在电池供电的传感器,低功耗是至关重要的。Semtech的罗拉®设备和无线射频技术(罗拉技术)188bet金博宝滚球正迅速成为事实上的标准连接电池驱动的设备在广泛的领域。能够使用LoRaWAN®的网络定位终端设备独特吸引力的地理定位技术。188bet金博宝滚球LoRaWAN-based网络和内的终端设备的工作完全不需要额外的硬件或电源。
一般来说,同定位系统包括几个职位,已知的参考节点和终端设备的位置需要被发现。在本文档中,我们将参考参考节点作为网关,和终端设备作为目标节点。定位一个目标节点,一个或多个无线电信号测量必须在目标节点和网关。让我们获得的信息特征目标节点之间的空间关系和每个网关。典型的测量包括接收信号强度指示(RSSI),信号噪声比(信噪比),频率偏移,到达角(AOA),和到达时间(TOA)。基于这些指标的部分或全部,连同已知位置的网关,一个位置算法可以计算目标节点的最可能的位置。
在本文中,我们将假定定位系统包括多个网关和一个或多个目标节点。网关可以配置一个或多个天线,而目标节点将通常只有一个。所有网关通过同步时间同步方案,如全球导航卫星系统(GNSS)。然而,目标节点不需要同步。相反,它会定期发送数据包在预定的速率。这些包将收到的部分或所有的网关。每个网关将测量RSSI和每个数据包的接收信噪比。根据网关模式,这也可能产生一个精确的时间戳的TOA代表收到包。如果只有RSSI和信噪比测量可用,RSSI-based算法可以用来估计目标节点的位置。如果RSSI,信噪比和TOA测量值都是可用的,目标的位置可能估计使用到达时差(辐射源脉冲)的multilateration算法。
算法也被称为一个位置位置解算器。Semtech罗拉云地理定位提供了解决RSSI和TDOA-based位置。
定位精度
许多因素可能影响确定目标位置的准确性。这些包括RSSI的质量、信噪比和TObet188软件下载A测量,几何精度因子(GDOP)、位置解算器算法,和其他因素,我们将探索在这个文档中。
bet188软件下载质量的测量
影响测量bet188软件下载的质量传输和接收过程。广播数据包可能穿过多个传输路径和经验重要信号到达接收机消退。因此,接收方可能会收到多个副本相同的包,每个从不同的方向和反射路径。这就是所谓的多径和衰落。根据长度不同路径之间的差异,多径和衰落可能造成严重的干扰(正面和负面),并导致接收方在决定一个信号从另一个困难。获得目标节点的位置,视线(LOS)路径是最好的,因为它的正确路径长度代表真正的发射和接受点之间的距离。多路径中的所有其他路径将路径长度超过真正的距离,将会导致一个错误的测量范围。每条路径可能不同,这取决于接收器的位置,因为反射是由发射机和接收机的位置。因此,可以降低多路径效应定位网关在精心挑选的地方,如在开放和更高的地方。
packet-reception过程在一个网关还将引入一个随机误差测量。水平的随机误差主要是由系统和任何错误的时基(如GNSS信号)。一般来说,包收到更高的信噪比会导致较低的random-noise-based错误。由于信号强度随距离,高密度的网关可以帮助防止低信号强度和信噪比。在大多数情况下,packet-reception过程中引入的随机误差明显小于从多径和衰落。
几何精度因子(GDOP)
目标节点和网关之间的相对位置不仅影响RSSI和TOA测量的质量,而且定位目标节点通过GDOP中的错误。bet188软件下载GDOP可以被认为是一个“错误”增强因子。相同级别的测量误差,一个更大的GDOP转化为更高的错误率在定位一个目标节点。GDOP的相对空间关系是由目标节点接收网关。当部署网关,它是可取的,以确保在所有可能的GDOP目标节点的位置是最小的。通常,网关可能部署大部分,如果不是全部,目标节点将在最大凸多边形组成的网关。例如,如果网关的总数是6个,六角定位网关将是一个不错的选择。这将实现网关的大多数覆盖给定的空间密度,从而包括广播范围内多个目标节点。反过来,这将导致一个小GDOP。对于某些应用程序,只有二维位置识别而言,水平精度因子(HDOP)可以使用。
与网关的位置如下图所示(白色圆圈),注意错误迅速扩大为six-gateway电网以外的设备位置的方法。
注意:蓝色椭圆表明GDOP影响的大小和方向位置的不确定性。更大的椭圆形表示的不确定性更大的放大而椭圆的形状和方向显示,接近边缘的一个网络,不确定性在某些方向比其他人更大。”
网关、包和频率分集
不完美的测量导致错误的位置估计。适当的网关可以减少错误的定位。然而,还有其他的技术,可以用来提高定位精度,如增加网关的数量。
为了产生一个有效的TDOA-based位置估计,至少有三个网关是必要的。在某些情况下,第四个网关需要完全消除定位模糊。额外的网关提供额外的好处。例如,一些网关可能会收到一个包降低多路径效应。通过结合所有测量数据网关,可以实现一个更好的定位精度。这被称为网关分集增益。当然,增加网关的数量有增加部署成本。
常数的网关,可以提高定位精度,增加天线的数量在每个网关。即使两个天线之间的距离可能小(约1米),多路径效应可以显著不同。因此,在某些情况下,当两个天线安装到相同的网关,可能会有相当大的改善的质量TOA测量。bet188软件下载这就是所谓的天线分集增益。
包多样性是另一个有效的方法来提高精度。碰巧,发送的数据包数量翻倍从同一位置可能导致改善准确性√2倍(根号2)。这是基于假设求解算法是正确的设计,和每个数据包的测量误差是统计独立的。在现实中,这可能并不总是这样,特别是对于多路通道。确保多路径衰落是独立的,不同的包可以发送不同的频率频道,让每个包不同的多径和衰落效应。这被称为多频方法joint-packet和频率分集。在一个强大的多路径效应的存在,位置误差可以减少传输的数据包数量也在不断增加。到达一个下界,增加数据包数量不会带来额外的改进。
它可能很难准确预测类型和多样性是多少需要达到一定的精度。这将很大程度上取决于现场条件。基于实地测试的八个包和两个天线/网关,5个或5个以上网关可能需要实现平均定位误差范围50 - 100米在一个典型的城市地区。
解决位置
解决位置可分为RSSI-based,只有RSSI和信噪比测量,或TDOA-based TOA, RSSI和信噪比测量。
RSSI-based解算器
只带RSSI测量估计目标节点的信息。这是由于这样的事实:信号强度变弱,发射机和接收机之间的距离。各种算法开发了基于RSSI的目标节点的位置估计。这被称为一个RSSI-based解算器。在一般情况下,信号强度大约是一个指数衰减的法律。然而,精确的衰减模型因环境而异,可以是相当复杂的。没有额外的测量和校准,衰减指数通常是未知的和解决者不能获得准确的测距信息从一个RSSI测量。解算器,没有明确基于测距信息,称为non-ranging解算器。
通过仔细校准几个特定的参考点,可以建立一个更精确的测量RSSI和关系到目标节点的距离。根据这些信息,可以提取等信息。一旦确定,包括信息ranging-based算法可以用来获得更好的精度。计算的误差范围显著增加,由于信号强度与距离减少一个指数法。因此,这种方法只有当所有网关和可行的目标节点位于一个相对封闭区域。
如下图所示,信号strength-based技术的另一个问题是,信号变弱显著当穿过物体像墙壁和窗户:
利用信号强度测量距离是艰难的
得到一个更精确的位置估计的另一种方法是指纹的方法,在这整个领域分为网格细胞。数据包发送的每一个细胞,相应的在每个接收网关RSSI测量。RSSI测量从所有网关形式一个细胞有关的“指纹”。所有细胞的指纹是测量并存储在数据库中。解决指纹确定目标节点的位置通过匹配指纹识别单元目标节点是最有可能的。
在Semtech罗拉云地理定位服务,只有non-ranging解决目前支持。尽管non-ranging解决解决提供定位精度不如ranging-based或指纹,这些都是简单和适用于这两个小型和大型油田。可用的算法与单一或多个数据包支持查询。此外,定位精度提高了通过增加数据包的数量包括在查询。
TDOA-based解算器
当TOA和RSSI测量都是可用的,TDOA-based解算器可以用来取得更好的定位精度。这个解算器设计可能会根据不同的算法,如最小均方、卡尔曼滤波、粒子滤波,等。各种算法的复杂度和性能也不同,他们可以受到目标节点的运动的影响。
如上所述,设计一个解算器的主要挑战是对抗多径效应。一些算法可能有利于视线(LOS)通道,但在多路径传播的存在可能表现不佳。所有形式的多样性(网关、天线、包和频率)有助于改善定位精度。
基于时间的算法可以更准确的一个原因是他们不太影响通过对象。在信号强度显著降低,信号不明显慢旅行,如下图所示:
利用飞行时间测量距离是容易
Semtech辐射源的解算器很好地利用网关和包的多样性,以及其他多路径缓解技术,为更好的洛杉矶和多路径通道的准确性。
从一开始,罗拉云地理定位支持一次性,单帧和multi-frame位置估计。这些算法假定所有数据中包含一个查询已经从相同的位置,并计算单个位置的结果。如果查询的信息包含一个包(即一个上行),该算法将返回最佳估计它可以使基于一个包。超过一个数据包传输相同的位置,可以组合成一个单一的数据查询和美联储multi-frame解算器。解算器将返回单个位置估计基于multi-frame查询中发送的所有信息。解算器不使用任何历史数据或状态信息,由于没有历史信息存储在罗拉云服务。
当前位置估计适用于静态目标节点,考虑到多个包(128)可以发送到解算器在一个电话。然而,对于移动目标节点,应用程序应该返回的位置上执行跟踪滤波。因为所有的包在一个查询被认为来自相同的位置,定位跟踪算法可以用来改善结果。
包的好处RSSI和辐射源脉冲方法多样性和差异对于一个典型的测量在市区中可以看到下面的图。典型的测量包括RSSI、信噪比和收到的数据包时的时间戳
图1:传说:
rssi - 1 = rssi结果单包
rssi - 2 = rssi结果2包在每个查询
rssi - 4 = rssi结果4包在每个查询
rssi - 8 = rssi 8包在每个查询结果
rssi - 16 = rssi 16包在每个查询结果
目标辐射源单包- 1 = TDOA-based结果查询
辐射源脉冲- 2 = TDOA-based 2-packet查询的结果
辐射源脉冲- 4 = TDOA-based 4-packet查询的结果
辐射源脉冲- 8 = TDOA-based 8-packet查询的结果
辐射源脉冲- 16 = TDOA-based 16-packet查询的结果
辐射源脉冲- 128 = 128 -包TDOA-based结果查询