Рынок навигационных и сервисных платформ. Ассоциация разработчиков, производителей и потребителей оборудования и приложений на основе глобальных навигационных спутниковых систем

• Название: Ассоциация разработчиков, производителей и потребителей оборудования и приложений на основе глобальных навигационных спутниковых систем
• Дата: 03.07.2022
• Размер: 5.59 Mb.
• Имя файла: Рынок навигационных и сервисных платформ.pdf
• Тип: Исследование; #623651
• страница: 6 из 16

Системы локального позиционирования.
Представляется удобным выделить основные группы технологий локального позиционирования с их дальнейшим раскрытием, более подробной характеристикой, выявленными преимуществами и недостатками, основными методами, применяемыми в этих технологиях:

Радиолокационные технологии.

Технологии инерциального позиционирования.

Технологии, основанные на изменении магнитного поля.

Оптические технологии.

Ультразвуковые технологии.
I. Итак, самой обширной группой, включающей в себя несколько подгрупп, является радиолокационная технология. Её мы и предлагаем рассмотреть в данной статье.
Радиочастотной называется та технология, в которой для определения местоположения объектов используются радиосигналы. К такой технологии относятся:
1) UWB – это все радиочастотные технологии, у которых радиочастотный канал превышает либо 500МГц, либо он содержит 20% от величины центральной частоты модуляции. Базирующиеся на этой технологии RTLS системы характеризуется высокой точностью определения местоположения. Главное преимущество описываемой технологии –

87 способность сохранять эффективность в помещениях со сложной геометрией и большим количеством помех.
Преимущества:

Высокий уровень помехозащищённости;

Сложно обнаружить передачу (высокая безопасность);

Практически не оказывает помех для других коммуникаций;

Чем выше частота, тем больше точность, но тем меньше радиус действия.
Недостатки:

Малый радиус действия (до 10 м);

Сложная инфраструктура.

Помеха для GPS;
Используемые методы: TDoA/ToA/AoA/ToF.
2) Wi-Fi – это технология передачи данных среднего радиуса действия, обычно покрывающая десятки метров, которая использует нелицензируемые диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Поскольку Wi-Fi изначально не предназначалась для использования в качестве технологии локального позиционирования, стандартная сеть предоставляет информацию с точностью лишь до точки доступа, поэтому для повышения точности определения местоположения используется RSSi или при некоторых доработках другие специализированные методы (например, TDoA).
Преимущества:

Широкое распространение;

Низкая стоимость оборудования.
Недостатки:

Для повышения точности, требуется увеличение плотности расположения базовых станций;

Загруженность эфира Wi-Fi;

88

Недостаточная точность определения местоположения для ряда задач, даже при применении специальных расширений Wi-Fi (в идеальных условиях 3-5 метров, в реальности 10-15 метров).
Используемые методы: на основе RSSi/TDoA.
3) WiMax – беспроводные сети масштаба города (реализация технологии «последней мили»). Это технология работающая в 2-х диапазонах частот (2-11 ГГц — для соединения базовой станции с абонентской, 10-66 ГГц — между базовыми станциями для передачи на данных на большие расстояния в пределах прямой видимости).
Эта технология изначально не приспособлена для определения местоположения (как и Wi-Fi).
Преимущества:

Зона покрытия (несколько километров);

Надежность;

Высокая пропускная способность.
Недостатки:

Дорогостоящее оборудование и обслуживание;

Низкая точность позиционирования.
Используемые методы: на основе RSSi/OTDoA.
4) MiWi – это беспроводной протокол, разработанный компанией
Microchip, предназначенный для построения дешевых радиосетей с передачей данных на небольшие расстояния. Фактически является упрощённым аналогом ZigBee.
Преимущества:

Является дешёвой альтернативой стеку протоколов ZigBee;

Является идеальным решением для дешёвых сетевых устройств с ограниченным объемом памяти;

Предоставляется компанией без лицензии (при условии применения трансивера MRF24J40 и микроконтроллеров Microchip);

89

Поддерживает шифрование сообщений;

Поддерживает mesh-сети, «узел-узел» (peer-to-peer) соединения и другие топологии.
Недостатки:

Необходимость установки дополнительного программного обеспечения;

Проприетарная технология;

Дорогостоящее обслуживание;

Низкая скорость передачи данных приводит к ограничениям по размеру сетевого сегмента.
Используемые методы: на основе RSSi.
5) ZigBee – стандарт для набора высокоуровневых протоколов связи, использующих небольшие, маломощные цифровые трансиверы, основанный на стандарте IEEE 802.15.4 для беспроводных персональных сетей. ZigBee предназначен для радиочастотных устройств, требующие гарантированной безопасной передачи данных при относительно небольших скоростях и возможности длительной работы сетевых устройств от автономных источников питания (батарей).
Преимущества:

Поддерживает как простые топологии сети («точка-точка»,
«дерево» и «звезда»), так и ячеистую (mesh) топологию с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений;

Содержит возможность выбора алгоритма маршрутизации, в зависимости от требований приложения и состояния сети;

Простота развертывания, обслуживания и модернизации;

Способность к самоорганизации и самовосстановлению;

Низкое энергопотребление.
Недостатки:

Низкая скорость передачи данных.

90
Используемые методы: на основе RSSi/TDoA/ToF.
6) NFER (Near-field electromagnetic ranging) – относительно новая технология позиционирования, которая использует метки-передатчики и одно или несколько принимающих устройств. Технология основана на том, что сдвиг фаз между электрической и магнитной составляющей электромагнитного поля изменяется по мере удаления от излучающей антенны.
Вблизи небольшой
(относительно длины волны) антенны электрическая и магнитная составляющие поля радиоволны сдвинуты по фазе на 90 градусов. При увеличении расстояния от антенны эта разница уменьшается. При достаточном удалении от антенны сдвиг фаз сходит к нулю.
Оптимальная для измерения расстояния дистанция между приемником и передатчиком лежит в пределах половины длины волны. Соответственно, чтобы обеспечить достаточно большую дистанцию передатчики метки должны использовать относительно низкие частоты. Обычно от 1 МГц
(длина волны 300 м, оптимальная дистанция до 150 м) до 10 МГц (длина волны 30 м, оптимальная дистанция до 15 м). В зависимости от выбора частоты, NFER имеет потенциал для достижения точности до 30 см на расстоянии до 300 метров.
Преимущества:

Подходит для применения в помещениях со сложной геометрией;

Позиционирование с точностью 0,5-1 метр (в теории) на расстоянии 20-30 метров.
Недостатки:

Относительно низкая эффективность антенны. Наиболее эффективна антенна, соизмеримая с длиной волны – обычно это четвертьволновой монополь. В случае NFER размеры такой антенны должны были бы составлять десятки метров, что неприемлемо;

91

Несогласованность антенны требует увеличения мощности передатчика и ведет к относительно большим габаритам и весу меток.
7) NanoLOC – это технология компании Nanotron, во многом схожая с более старой версией NanoNET. Помимо скорости передачи информации в 1
Мбит в секунду на расстоянии в несколько сотен метров, эта технология позволяет определять расстояние между приемопередатчиками. Погрешность в определении расстояния — 2 метра, что позволяет определять, где находится приемопередатчик по отношению к другим таким же приемопередатчикам. Если необходимо определение в трехмерной системе координат, понадобятся четыре (и более) передатчика NanoLOC, координаты месторасположения которых уже известны.
Преимущества:

Возможность работы в нелицензируемых диапазонах при мощности до 100 мВт;

Используемые методы определения местоположения обеспечивают возможность локализации объектов за пределами периметра зоны обслуживания со снижением точности;

Большой выбор готового ПО (с открытыми кодами исходников);

Автокорреляционные свойства сигнала делают технологию устойчивой к внешним помехам.
Недостатки:

Ограничения по количеству устройств в сегменте;

Проприетарная технология.
Используемые методы: на основе RSSi/TDoA/ToF.
8) DECT – технология беспроводной связи на частотах 1880—1900
МГц с модуляцией GMSK (BT = 0,5), используется в современных радиотелефонах. Данная технология позволяет определять местоположение объекта с точностью до определённой базовой станции без использования специализированного программного обеспечения, а также с точностью 5-10

92 метров на открытом пространстве или в пределах помещений, находящихся в зоне обслуживания системы со специализированным ПО. Как и для большинства технологий, точность значительно снижается при работе в сооружениях, материалы конструкций которых имеют разнородную структуру.
Преимущества:

Простота развёртывания DECT-сетей;

Не требует специализированного обслуживания;

Не требует лицензирования;

Хорошая интеграция с системами стационарной корпоративной телефонии.
Недостатки:

Относительно небольшая дальность связи (из-за ограничения мощности самим стандартом);

Невысокая скорость передачи данных;

Требуется специализированное оборудование.
Используемые методы: на основе RSSi.
9) Позиционирование в сотовых сетях– определение местоположения объекта на основе метода Cell Of Origin – по координатам соты, к которой подключен абонент. Точность позиционирования определяется радиусом соты. Для так называемых «пикосот» она составляет 100-150 метров, то в большинстве случаев это километр и более. Для повышения точности до десятков метров необходимо использовать методы EoTD/OTDoA.
Преимущества:

Возможность использования существующей инфраструктуры сотовых операторов.
Недостатки:

Лицензированный диапазон частот;

Низкая точность позиционирования.

93
Используемые методы: EoTD/OTDoA.
10) Bluetooth – спецификация беспроводных персональных сетей
(Wireless personal area network, WPAN), ближнего радиуса действия, работающая в частотном диапазоне 2,4-2,4835 ГГц. В Bluetooth несущая частота сигнала меняется 1600 раз в секунду псевдослучайным образом, это позволяет избежать проблем при функционировании группы устройств в непосредственной близости, а так же повысить безопасность передачи данных.
Преимущества:

Повышенная безопасность и помехозащищенность;

Низкое энергопотребление (BLE);

Недорогое оборудование;

Компактность модулей.
Недостатки:

Невозможность достижения высокой точности определения местоположения.
Используемые методы: на основе RSSi.

94
Таблица 7 - Сводная таблица радиочастотных технологий
11) Технология инерциального позиционирования.
Технология инерциального позиционирования – это определение относительного местоположения и параметров движения различных объектов. Определение местоположения является автономным, то есть не требует наличия внешних ориентиров или поступающих извне сигналов.
Сущность инерциального позиционирования состоит в определении ускорения объекта и его угловых скоростей с помощью установленных на движущемся объекте датчиков (акселерометры, гироскопы и пр.).
Полученные таким образом данные позволяют определить скорость, пройденный путь объекта и др.
Преимущества:
Автономность.
Недостатки:
Является уточняющей технологией, т.к. требует периодического уточнения местоположения с помощью реперных точек;

95
Ложные срабатывания (из-за неправильного определения характера движения);
Высокое энергопотребление.
12) Технологии позиционирования, основанные на изменении магнитного поля.
Технологии позиционирования, основанные на изменении магнитного поля – это определение местоположения объекта, основанное на измерении локальных изменений магнитного поля, которые могут послужить критерием для магнитного позиционирования. Для того, чтобы начать работать с такой технологией, необходимо вначале составить карту изменений магнитного поля.
Преимущества:
Не требуется расстановка анкерных точек.
Недостатки:
Необходимость содержания карт изменений магнитного поля в актуальном состоянии;
Низкий уровень точности локации (зависит от количества и интенсивности локальных изменений магнитного поля).
13) Ультразвуковые технологии позиционирования.
Ультразвуковые датчики работают на частотах от 40 до 130 кГц.
Расстояние рассчитывается по времени прохождения сигнала от датчика до приемника. Используя несколько приемников, можно точно рассчитать местоположение передатчика. Точность повышается при использовании четырёх и более приемников.
Преимущества:
Высокая точность позиционирования.
Недостатки:
Ослабление сигнала из-за препятствий;
Ложные сигналы из-за отражений;

96
Помехи от высокочастотных источников звука;
Малый радиус.
Для исключения недостатков, описанных выше, требуется тщательное планирование системы, а также постоянная калибровка, в целях уменьшения влияния погрешностей в работе системы.
14) Оптические технологии позиционирования. Данные технологии представлены двумя подгруппами – технологиями инфракрасного и лазерного позиционирования.
А) В системах инфракрасного позиционирования мобильные устройства излучают импульсы в ИК диапазоне с определенной периодичностью. Импульсы воспринимаются приемниками системы, и местонахождение прибора рассчитывается по времени прохождения сигнала от источника к приемнику. В некоторых случаях функции приемника и передатчика объединены, т.е. работа идет с отраженным сигналом.
Преимущества:
Высокая дальность измерений.
Недостатки:
Помехи от солнечного света, пыли.
Б) Лазерное позиционирование производится по такому же принципу как инфракрасное и ультразвуковое. Мобильные приборы испускают лазерные импульсы с определенной периодичностью. Эти импульсы воспринимаются приемниками системы, и местонахождение прибора рассчитывается по времени прохождения сигнала от источника к приемнику.
Излучатель может быть и приемником сразу, т.е. может работать и на отраженном сигнале.
Преимущества:
Высокая точность измерений.
Недостатки:
Ограниченное применение;

97
Для определения местоположения необходима прямая видимость.
Подводя итоги, можно добавить, что выбор той или иной технологии обусловлен множеством аспектов, таких как: отрасль применения, специфика обслуживания, методы, на которых эта технология работает, стоимость. Все технологии локального позиционирования, за исключением радиочастотных, являются узконаправленными, используются, как правило, для уточнения локации.
Хайп-цикл
Гантера для технологии локального позиционирования - «Склон просвещения».
Уровень готовности технологии локальной навигации соответствует «TRL 9» – реальная система, эффективность которой доказана в операционной среде (конкурентное производство в случае ключевых перспективных технологий).
Системы дополненной и виртуальной реальности. Виртуальная и
дополненная реальности (VR и AR) – это современные и быстро развивающиеся технологии. Их цель – расширение физического пространства жизни человека объектами, созданными с помощью цифровых устройств и программ, и имеющими характер изображения (рисунок 12).
Рисунок 12 - Технология виртуальной реальности
На рисунке 12 показано изображение, которое видит пользователь через специальные очки виртуальной реальности (далее – VR). Изображение разделено на две отдельные картинки для каждого глаза и специально искажено, чтобы создать для глаз иллюзию трехмерного пространства. Если человек перемещается или просто поворачивает голову, то программа автоматически перестраивает изображение, что создает ощущение реального

98 физического присутствия. С помощью контроллеров (джойстиков и т.п.) пользователь может взаимодействовать с окружающими предметами, например, он может поднять камень и бросить его с горы – встроенная в программу физическая модель просчитает полет этого камня, что еще больше создаст иллюзию реального пространства.
На рисунке 13 показано приложение, использующее технологии дополненной реальности (далее – AR). В этом приложении можно размещать изображения мебели на изображении с камеры телефона, но за счет их деформаций у пользователя создается впечатление, что он видит реальный предмет, располагающийся в комнате. Важно, то, что в этом случае реальность (комната) дополняется виртуальным креслом, и соответствующая технология будет называться дополненной реальностью. Создание дополненной реальности возможно не только с помощью смартфонов, но и других технических средств, например, посредством специальных очков. В этом случае, виртуальное изображение достраивается на поверхности линз очков.
Рисунок 13 - Технология дополненной реальности
В качестве устройств на данный момент используются: очки виртуальной и дополненной реальности, контроллеры, наушники, смартфоны, планшеты.
Программы создаются, как правило, на тех же платформах, на которых разрабатывают компьютерные игры (Unity, Unreal Engine, и т.д.), с помощью различных инструментов для разработки программ виртуальной и дополненной реальности (Steam VR, Google VR, Oculus, Windows Mixed
Reality, Google ARCore, Apple ARkit, Google Tango, Vuforia и т.д.).

99
Прототипы устройств и первые использования терминов VR и AR существовали еще в середине 20 века, но современная терминология была сформирована в начале 90-х годов.
Все технологии, связанные с расширением реальности посредством цифровых объектов (возможно, что и не только цифровых), располагаются между двумя полярными вариантами возможных реальностей: реальностью
(reality), в которой мы с вами живем, и виртуальной реальностью (virtual reality, VR). Реальность – это абсолютное отсутствие дополнительных объектов в физическом пространстве, т.е. само физическое пространство.
Виртуальная реальность – это абсолютное отсутствие реальных объектов.
Множество этих технологий называется смешанной реальностью (mixed reality, MR). На практике оно часто разбивается на подмножества. Двумя классическими подмножествами являются дополненная реальность
(augmented reality, AR) и дополненная виртуальность (augmented virtuality,
AV). В первом случае подразумеваются технологии, дополняющие реальность различными объектами, во втором, дополняющие виртуальную реальность реальными объектами.
В качестве примера можно привести технологию, которая погружает вас в Древний Рим. Если эта технология дополняет окружающее вас пространство различными объектами из той эпохи (мечи, доспехи, глиняные кувшины, храмы, арены), то это будет считаться AR технологией, если же вас переносят в древний город, с его архитектурой, людьми, погодой, событиями, и т.д., но, к примеру, лица этих людей будут транслироваться из окружающего мира, то это технология дополненной виртуальности (далее –
AV). На сегодняшнем уровне развития, технология AV практически не используется, но в будущем она может стать гораздо более впечатляющей, чем AR и VR.
Говоря о прогнозах развития технологии, часто предполагается смещение существования человека в пространство смешанной реальности

100
(MR), что уже наблюдается вследствие развития интернета и мобильных устройств. В рамках виртуально-реального континуума мобильные устройства можно считать технологией дополненной реальности AR, так как они дополняют окружающий мир дополнительной визуальной, звуковой и отчасти тактильной информацией. В короткометражном фильме антиутопии режиссер Кейши Матсуда (Keiichi Matsuda), показывает результат такого движения, который автор называет чрезмерной или сверх-реальностью (hyper reality).
Современное состояние технологии AR лучше всего подходит для специализированных решений. В настоящее время AR приходится бороться с несоответствием ожиданий заказчиков завышенным маркетинговым обещаниям (поставщики обещают решения, выходящие за рамки текущих возможностей технологии и оборудования), слабыми реализациями
(например, решениями, поставляемыми без глубоких знаний в области разработки, интеграции рабочих процессов или сопоставленных с бизнесом значимости и потребностей) и отсутствием стандартов (функциональная совместимость, производство контента, фреймворки и т. д.). Для достижения дальнейшего прогресса необходимы более совершенные и простые в использовании аппаратные средства в сочетании с более убедительными вариантами использования. Основываясь на анализе Gartner и отраслевых новостях, можно утверждать, что B2B AR продолжает набирать обороты, поскольку все больше предприятий осознают ценность использования AR в своих рабочих процессах и других процессах. Рост продаж HMD отражает бурное развертывание пилотных проектов.
Используя датчики устройств, технология AR действует как цифровое расширение чувств пользователей и служит интерфейсом для людей в физическом мире. Она обеспечивает цифровой фильтр для расширения пользовательского пространства релевантной, интересной и / или полезной информацией. AR соединяет цифровой и физический мир. Это оказывает

101 влияние как на внутрикорпоративные, так и на ориентированные вовне решения. Например, внутреннее приложение AR может обеспечить ценность, усиливая обучение, улучшая техническое обслуживание и совместную работу. Во внешнем мире технология AR предлагает брендам, розничным продавцам и маркетологам возможность беспрепятственно объединять физические кампании со своими цифровыми активами.
Таким образом, AR широко применяется на многих рынках, включая игры, промышленный дизайн, цифровую коммерцию, маркетинг, горнодобывающую промышленность, инжиниринг, строительство, энергетику и коммунальное хозяйство, автомобилестроение, логистику, производство, здравоохранение, образование, поддержку клиентов и обслуживание на местах. Сейчас виртуальная реальность по циклу зрелости технологии находится на четвёртом этапе - «просвещение»: уже найдены решения основных проблем технологии, появляется много качественного контента и аудитория. При этом VR приближается к пятому этапу - «плато продуктивности», когда технология становится обыденной, её использование превращается в рутину. Все большее количество людей будет использовать виртуальную реальность в повседневности. Одним из драйверов развития VR рынка, так чтобы он стал поистине массовым будет мобильный VR. Samsung и Google ставят на него большие надежды.
Уровень готовности технологии VR и AR соответствует «TRL 9» – реальная система, эффективность которой доказана в операционной среде
(конкурентное производство в случае ключевых перспективных технологий).

102
Рисунок 14 - Эволюция очков виртуальной и дополненной реальности [116]

103