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浅谈室内定位技术

从古至今,人类的方方面面就离不开“定位”技术,从古代远洋航海罗盘,再到现如今每个电子终端都有的GPS,定位技术在我们身边可谓是无处不在。但人类已经演变成生活在钢筋混凝土森林的动物,工作和生活在室内的时间要远远超过室外,而且室内同样有定位和导航的需求。目前市内定位技术主要分为RSSI感知定位、RTLS实时坐标级定位、以及惯导定位三种方式。

  RSSI感知定位技术

  基于RSSI定位技术的主要有:有源RFID,ZigBee,WiFi、蓝牙iBeacon等,他们共同特点都是2.4GHz频段的基于场强信号强弱检测以及指纹采集(采集多个位置信号强度参考值)的感知判断,获得相对位置,但没有定位坐标。

 

  值得一提的是目前比较火热的是iBeacon阵营,采用BLE技术,定期发送的通告帧,支持BLE的设备就可以接收到,通过模块与接收器之间相距1m时的参考接收信号强,接收器根据该参考RSSI与接收信号的强度来推算发送模块与接收器的距离。基于RSSI定位技术的产品他的应用市场主要针对普通人员定位、商业消费定位,比如家校通学生管理、医院的老人管理、商场里面的消费群体定位等。

 

  无线电实时定位技术(RTLS)

  上面的RSSI的感知定位技术没有定位坐标,无法满足高精度坐标级定位的需求,RTLS(实时定位系统)技术随之而生,主要无线电进行测距计算、时间差计算、角度计算等实现定位。主要的定位算法有:TDOA(到达时间差定位)、AOA(到达角度定位)、TOA(到达时间)、TW-TOF(双向飞行时间)、NFER(近场电磁测距)等。其中UWB频段(超宽带无线电频段,6-8GHz)因其为脉冲波、带宽高等特性,被发现非常适合用来做定位,定位精度高且不易受干扰,特别是Ubisense公司开创性地推出了全球第一套UWB定位系统,UWB定位系统这才被全世界各行业所应用。

 

  国内也在积极地研发定位系统,2013年底爱尔兰一家名叫Decawave的公司正式推出DW1000 UWB射频芯片,提供了UWB定位核心的基础部分,此后国内的唐恩科技、南京沃旭、清研讯科、无锡真源、深圳暚光等公司推出了低成本的UWB定位系统,但目前DW1000芯片良品率不到60%,时间计算不稳定,配套能力不够等问题导致国内的衍生产品都很不稳定,大部分产品还都无法在项目中实际使用。


  惯导定位技术

  惯性导航系统通过陀螺仪、加速度计以及其他运动传感器的结合实现单终端无基站定位。通过给惯性导航系统提供初始位置及速度,对运动传感器的信息进行整合计算,不断更新当前位置及速度。 通过检测系统的加速度和角速度,惯性导航系统可以检测位置变化(如向东或向西的运动),速度变化(速度大小或方向)和姿态变化(绕各个轴的旋转),它不需要外部参考点的特点使它自然地不受外界的干扰或欺骗。

 

  陀螺仪在惯性参照系中用于测量系统的角速率,通过以惯性参照系中系统初始方位作为初始条件,对角速率进行积分,就可以时刻得到系统的当前方向。这可以想象成被蒙上眼睛的乘客坐在汽车中,感觉汽车左转、右转、上坡、下坡,仅根据这些信息他知道了汽车朝哪里开,但不知道汽车是快,是慢或是否汽车滑向路边。

 

  加速度计在惯性参照系中用于测量系统的线加速度,但只能测量相对于系统运动方向的加速度(由于加速度计与系统固定并随系统转动,不知道自身的方向)。这可以想象成一个被蒙上眼睛的乘客在汽车加速时向后挤压座位,汽车刹车时身体前倾,汽车加速上坡时下压座位,汽车越过山顶下坡时从座位上弹起,仅根据这些信息,乘客知道汽车相对自身怎样加速,即向前、向后、向上、向下、向左 或向右,但不知道相对地面的方向。

 

  通过跟踪系统当前角速率及相对于运动系统测量到的当前线加速度,就可以确定参照系中系统当前线加速度。以起始速度作为初始条件,应用正确的运动学方程,对惯性加速度进行积分就可得到系统惯性速率,然后以起始位置座作初始条件再次积分就可得到惯性位置。惯性导航系统传感器的小误差会随时间累积成大误差,其误差大体上与时间成正比,因此需要不断进行修正。现代惯性导航系统使用各种信号(例如全球定位系统及磁罗盘等)对其进行修正,采取控制论原理对不同信号进行权级过滤,保证惯性导航系统的精度及可靠性。

 

对各个定位技术的优劣做个统计表:

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