Jak wyznaczyć pozycję w czterech ścianach, kiedy GPS nie daje rady?

Ach, gdyby tak z GPS-a można było korzystać nie tylko pod gołym niebem! O ile prostsza stałaby się nawigacja czy pomiary! Naukowcy dostrzegają tę potrzebę i od lat główkują nad metodami pozycjonowania wewnątrz budynków. Choć pomysłów mają wiele, to na horyzoncie wciąż nie widać tego jedynego, uniwersalnego rozwiązania. Co mamy na razie do wyboru?

Więcej mocy!

Na wstępie wyjaśnijmy, dlaczego GPS nie radzi sobie w czterech ścianach. Odpowiedź jest prosta – satelity GPS emitują sygnał radiowy z wysokości około 20 tys. km o mocy… nieco ponad 20 W! Czyli tyle co żarówka! To za mało, żeby przeniknąć przez dachy bądź ściany. Może w takim razie rozwiązaniem problemu jest po prostu przybliżenie źródła promieniowania mikrofalowego do użytkownika lub/i podniesienie jego mocy? Co ciekawe, właśnie na tym bazuje większość proponowanych metod wyznaczania pozycji wewnątrz budynku! Nie powinno to jednak dziwić, skoro otacza nas mnóstwo różnego rodzaju sygnałów radiowych, które – przynajmniej teoretycznie – można by wykorzystać do określania naszych współrzędnych.

Jeden z pierwszych tego typu pomysłów jest znacznie starszy niż GPS, sięga II wojny światowej i nazywa się LORAN (LOng Range Aid to Navigation). Początkowo rozwiązanie to służyło przede wszystkim do nawigowania alianckich konwojów przekraczających Atlantyk. Z zalet systemu szybko zaczęło jednak korzystać również lotnictwo, z biegiem czasu także straż przybrzeżna, a w latach 70. rozwiązanie udostępniono nawet cywilom. Nadawane przez sieć specjalnych, wysokich masztów pierwsze sygnały nawigacyjne LORAN pozwalały wyznaczać pozycję z dokładnością raptem kilku mil. Wraz z postępem technologicznym i kolejnymi wersjami systemu (m.in. LORAN-C i eLORAN) błąd spadł do 10 metrów.

Popularyzacja technologii GPS sprawiła jednak, że liczba użytkowników LORAN-a gwałtownie się kurczyła i na nic zdały się zalety tego rozwiązania, takie jak lepsza odporność na zakłócanie czy możliwość wyznaczania pozycji wewnątrz budynków, a nawet pod ziemią. Względy finansowe sprawiły, że Stany Zjednoczone rozpoczęły demontaż infrastruktury LORAN. Co ciekawe, odwrotną decyzją podjęły władze Wielkiej Brytanii i Korei Południowej. Doszły one do wniosku, że w obliczu coraz częstszych incydentów z celowym lub przypadkowym zakłócaniem sygnałów GPS, posiadanie jakiejś rezerwowej infrastruktury nawigacyjnej jest koniecznością.

Czy w takim razie eLORAN ma szansę stać się uniwersalnym rozwiązaniem do wyznaczanie pozycji wewnątrz budynków? Wątpliwe. Po pierwsze, wymagałby wprowadzenia istotnych modyfikacji w smartfonach czy tabletach. Po drugie – i to kluczowy argument – poszczególne kraje musiałyby zainwestować w kosztowną infrastrukturę nadawczą (wspomnijmy tylko, że nadajniki LORAN-C mają wysokość 190-220 metrów i moc od 100 do 4000 kW!). Dla przykładu, samo objęcie kanału La Manche tymi sygnałami (co zapewniono w 2014 roku) wymagało budowy aż 7 stacji.

Maszt systemu LORAN-C położony na niemieckiej wyspie Sylt (fot. Wikipedia/Gerd Fahrenhorst)

1a_loran

 Maszynownia jednej ze stacji nadawczych LORAN-C (fot. Wikipedia)

1b_loran

Komóreczko, powiedz przecie

A może prościej byłoby wykorzystać istniejącą infrastrukturę nadawczą, np. wszędobylskie maszty telefonii komórkowej? Osoby orientujące się w technologiach lokalizacyjnych dobrze wiedzą, że takie rozwiązanie stosowane było już w pierwszych smartfonach, które – w co być może trudno dziś uwierzyć – pozbawione były odbiornika GPS. Zasada działania jest tu prostsza niż w nawigacji satelitarnej – pozycja wyznaczana jest bowiem dzięki pomiarowi mocy sygnałów dochodzących z okolicznych masztów telefonii komórkowej. Co istotne, metoda umożliwia wyznaczanie pozycji zarówno z poziomu telefonu wyposażonego w odpowiednią aplikację (choćby Mapy Google), jak i operatora telefonii (co zresztą jest wykorzystywane choćby przy lokalizowaniu osób dzwoniących na numer alarmowy 112).

A co z dokładnością? Im więcej jest w naszym pobliżu masztów GSM, tym jest wyższa. W sprzyjających warunkach (czyli głównie w miastach) błąd takiego pomiaru może wynieść kilkadziesiąt metrów, ale na terenach o rzadkiej infrastrukturze telekomunikacyjnej rośnie nawet do kilku kilometrów. Takie wyniki eliminują więc tę metodę z wyznaczania pozycji wewnątrz budynków. Dlaczego są tak kiepskie, znacznie gorsze niż choćby w przypadku eLORAN? W dużym skrócie dlatego, że – co zabrzmi banalnie – infrastrukturę telefonii komórkowej projektowano z myślą o rozmowach telefonicznych i wymianie danych, a nie wyznaczaniu pozycji. Z czysto teoretycznego punktu widzenia nie ma jednak przeciwwskazań, by po modyfikacjach technologicznych sieci komórkowe pozwalały wskazywać pozycję z dokładnością porównywalną do GPS-a. Trudno się więc dziwić, że temat ten porusza wyobraźnię naukowców i biznesmenów, którzy co rusz informują o ciekawych koncepcjach nowych technologii lokalizacyjnych bazujących na sygnałach komórkowych.

 Typowy maszt sieci komórkowej (fot. J. Smith/Wikipedia)

2_gms

Jednym z przykładów jest system MBS (Metropolitan Beacon System) firmy NaxtNav. Metoda polega na emitowaniu przez specjalnie przystosowaną sieć LTE sygnałów podobnych do GPS-a, które dla smartfona czy tabletu są po prostu kolejnymi satelitami nawigacyjnymi. Co ciekawe, dokładność takiego rozwiązania jest znacznie lepsza w pionie niż w poziomie, a więc odwrotnie niż w nawigacji satelitarnej (wszystko dlatego, że stacje MBS położone się mniej więcej na tej samej wysokości). W rezultacie system MBS będzie się świetnie nadawał do wyznaczania piętra, na którym znajduje się dany użytkownik. Zasadniczą wadą tego rozwiązania jest jednak konieczność modyfikacji smartfonów czy tabletów, choć firma NextNav deklaruje, że byłyby one nieznaczne. Chwali się ponadto, że w porównaniu z GPS-em system MBS oferuje znacznie szybszą inicjalizację pomiaru (nawet 6 sekund) i wymaga mniejszego poboru energii. Brzmi ciekawe, ale czekamy na pierwsze poważne wdrożenia.

Szukając hot-spota

Zróbmy krótki eksperyment: sprawdź, drogi Czytelniku, ile w tym momencie Twój smartfon, tablet czy komputer widzi sieci wi-fi? O ile mieszkasz wśród gęstej zabudowy, możesz ich mieć od kilku do nawet kilkudziesięciu. Czy da się wykorzystać te sygnały radiowe w wyznaczaniu pozycji? Nie dość, że się da, to od ładnych paru lat jest to powszechnie znana technologia! Jej podstawową zaletą jest to, nie wymaga budowania specjalistycznej infrastruktury – bez problemu wykorzystuje nawet te sieci, do których nie mamy hasła. Ponadto dzięki niewielkiemu zasięgowi poszczególnych sieci wi-fi (do około 150 m) metoda ta siłą rzeczy oferuje niezłą dokładność – od kilkunastu do około 5 metrów. Błąd można jeszcze bardziej zredukować (nawet do 2 metrów), jeśli w danym budynku założymy specjalne sieci, które – podobnie jak satelity GPS – będą nadawały informacje o aktualnym, precyzyjnym czasie.

Zasadniczą wadą WPS (Wi-fi Positioning System) jest konieczność posiadania dostępu do możliwie jak najpełniejszej i jak najbardziej aktualnej bazy danych o sieciach wi-fi na świecie. Do dziś powstało ich 9 – jest więc w czym wybierać, sęk w tym, że nie zapiszemy sobie przecież takiej bazy na smartfonie (największa ma ponad miliard rekordów!). Korzystanie z WPS wymaga więc dostępu do internetu, co dla niektórych użytkowników może być problemem. Poza tym wciąż wiele budynków nie posiada żadnych sieci wi-fi.

 Mapa sieci wi-fi w zasobach otwartego projektu Mozilla Location Service

3_wps

Mimo tych wad to właśnie WPS postrzegany jest jako główny kandydat to tytułu międzynarodowego, uniwersalnego standardu wyznaczania pozycji wewnątrz budynków. Naukowcy już roztaczają wizję ogólnoświatowego systemu IPS (Indoor Positioning System). Kluczem do jego sukcesu miałoby być zaprzęgnięcie wszystkich smartfonów i tabletów do ciągłej aktualizacji jednej, centralnej bazy sieci wi-fi.

W objęciach Sinozębego

Inna popularna kategoria sygnałów radiowych to Bluetooth – standard obsługiwany już chyba przez wszystkie smartfony, tablety czy laptopy. Ale czy można je wykorzystać w nawigacji, skoro są nadawane w dużej mierze przez urządzenia mobilne? Można, o ile ich źródłem są tzw. beacony, czyli niewielkie nadajniki o niskim poborze mocy i o stałej pozycji. Ich użycie pozwala lokalizować użytkownika z dokładnością dochodzącą nawet do jednego metra, choć znów – tak jak w przypadku wi-fi – wynikowy błąd zależy w dużej mierze od gęstości infrastruktury: im więcej beaconów, tym jest mniejszy.

Interesującym przykładem wykorzystania tej metody jest polski projekt Virtualna Warszawa wyróżniony w międzynarodowym konkursie „Mayors Challenge”. Zakłada on rozmieszczenie beaconów Bluetooth we wszystkich urzędach warszawskiego ratusza, a nawet w poszczególnych autobusach czy tramwajach (wyposażonych dodatkowo w GPS) oraz w pobliżu atrakcji turystycznych. Do tego stworzona zostanie specjalna aplikacja mobilna, która będzie w stanie na podstawie sygnałów z tych beaconów wyznaczać pozycję i nawigować użytkownika do odpowiedniego okienka w urzędzie czy właściwego autobusu.

 Beacony Bluetooth wykorzystywane w projekcie Virtualna Warszawa

4

Zaletą rozwiązania jest gotowość do użycia na większości urządzeń mobilnych. Zasadniczą wadą jest natomiast konieczność budowy złożonej infrastruktury beconów (z których każdy wymaga zasilania), która w zasadzie może być użytkowana tylko przez jedną aplikację. Za Virtualną Warszawę trzymamy kciuki, ale podobne rozwiązania raczej nie staną się międzynarodowym standardem.

Sklepowy pomysł

Chyba każdemu choć raz zdarzyła się nieprzyjemna sytuacja, gdy podczas wychodzenia ze sklepu niesłusznie zawyły bramki wykrywające kradzież towaru. Przyczyną tego zamieszania są niepozorne naklejki będące tzw. układami RFID (Radio-frequency identification). Ich działanie polega na przekazywaniu poprzez fale radiowe krótkiej informacji pomiędzy znacznikiem a czytnikiem. W przypadku znanych nam bramek sklepowych mamy do czynienia z tzw. znacznikami pasywnymi, czyli takimi, które nie mają zasilania, a fale radiowe emitują pod wpływem pola magnetycznego. Zasięg ich działania wynosi maksymalnie 1-2 metry. Są również znaczniki aktywne, które posiadają własne źródło zasilania i dzięki temu zasięg ich działania jest większy (nawet do 200 m).

RFID może służyć nie tylko do informowania o potencjalnym złodzieju, ale także przekazywać do czytnika dane o pozycji znacznika. Dokładność takiego systemu pozycjonowania jest w dużej mierze uzależniona od liczby znaczników – w skrajnym przypadku może wynosić nawet kilka centymetrów, wiązałoby się to jednak z koniecznością rozmieszczenia sporej liczby znaczników. Zresztą, nawet jeśli zależałoby nam tylko na metrach, objęcie sporego budynku tą technologią jest nie lada wyzwaniem logistycznym. Z tego względu trudno oczekiwać, by pozycjonowanie RFID stało się powszechne, choć w niektórych przypadkach, choćby przy taśmach produkcyjnych czy w rozległych magazynach, może się świetnie sprawdzać.

 Typowy pasywny znacznik RFID zabezpieczający towar przed kradzieżą (fot. Maschinenjunge/Wikipedia)

5_rfid

Satelitarny wzmacniacz

A może rozwiązaniem problemu nawigacji wewnątrz budynków jest po prostu obniżenie orbity satelitów nawigacyjnych i zwiększenie mocy ich sygnałów nawigacyjnych? Z tego założenia wyszli twórcy zaprezentowanego w tym roku systemu STL (Satellite Time and Location). Rozwiązanie wykorzystuje sieć 66 satelitów telekomunikacyjnych Iridium orbitujących na wysokości blisko 800 km nad Ziemią do retransmisji sygnałów GPS. Mogą one służyć nie tylko jako wsparcie tego amerykańskiego systemu w miejscach o trudnych warunkach pomiarowych, ale również do autonomicznego wyznaczania pozycji. Są jednak trzy „ale”. Po pierwsze, dostęp do STL jest płatny, co przesądza o tym, że nie powtórzy on sukcesu GPS-a. Po drugie, w trybie autonomicznym umożliwia osiągniecie dokładności raptem 50 metrów, i to po 2-minutowej inicjalizacji (po wydłużeniu tego czasu do 10 minut dokładność rośnie do 20 metrów, co jest wciąż sporą wartością). Po trzecie, implementacja STL wymaga ingerencji w hardware odbiornika GPS.

 Konstelacja satelitów Iridium

22807_iridium_satelite_coverage_network_reliablitliy

Na marginesie warto dodać ciekawostkę, że wyznaczanie pozycji za pomocą STL bazuje nie tylko na pomiarze czasu lotu sygnału od satelity do odbiornika, jak to jest w przypadku GPS-a, ale także na pomiarze tzw. efektu Dopplera. Dzięki temu do korzystania z tego rozwiązania nie potrzeba minimum czterech satelitów nawigacyjnych (o co, nawiasem mówiąc, w przypadku konstelacji Iridium jest ciężko).

Idź w stronę światła

Popuśćmy jednak wodze fantazji i nie ograniczajmy się wyłącznie do sygnałów radiowych! Może do wyznaczania pozycji wystarczy światło? Owszem! Udowadnia to technologia VLC (Visible Light Communication). Zasada jej działania jest prosta i niezwykle praktyczna. W pomieszczeniu, które chcemy objąć tym rozwiązaniem, umieszczamy diody LED. Dla naszych oczu są one zwykłym elementem oświetlenia, ale już aparat w smartfonie „dostrzeże”, że światło to jest modulowane, tak by przekazywać informację o naszych współrzędnych. By skorzystać z systemu VLC, wystarczy zainstalować specjalną aplikację w urządzeniu mobilnym. Co ciekawe, system ten szybko zdobywa popularność w centrach handlowych.

Siłą inercji

Opisane wyżej technologie przeznaczone są przede wszystkim do mniej lub bardziej dokładnej nawigacji. Część czytelników z niecierpliwością czeka natomiast na coś o tym, co jest tematem tego blogu, czyli dokładne pomiary. Tu największą popularnością cieszą się inercyjne jednostki pomiarowe IMU – urządzenia składające się z żyroskopów, przyśpieszeniomierzy i czasem również magnetometrów, które odtwarzają prędkość oraz kierunek ruchu użytkownika. IMU stały się popularne przede wszystkim w mobilnych systemach kartowania, ponadto są coraz częściej stosowane w bardziej rozwiniętych systemach nawigacji, które mogą wyznaczać pozycję nawet po utracie widoczności satelitów GPS (np. w tunelach czy na parkingach podziemnych). Dokładność tego typu sprzętu jest bardzo różna – od centymetrów do metrów, obowiązuje tu jednak naczelna zasada: im dłużej nie mamy sygnału GPS, tym błąd pomiaru jest większy.

To kluczowa wada IMU. Inną jest wysoka cena sprzętu idąca nawet w dziesiątki tysięcy dolarów, a także wymiary, znacznie większe niż w przypadku odbiornika GPS. Trzeba jednak przyznać, że postęp technologiczny sprawia, iż urządzenia te błyskawicznie tanieją i maleją. Dowodem jest choćby nowy moduł NEO-M8L szwajcarskiej firmy u-blox przeznaczony dla przemysłu motoryzacyjnego. Jego deklarowana dokładność wynosi 2% dystansu pokonanego bez sygnału GPS, a wymiary to raptem 12,2 x 16,0 x 2,4 mm. Bez wątpienia upowszechnienie się tego tymi sensorów w smartfonach czy tabletach to kwestia kilku najbliższych lat.

 Profesjonalny sensor IMU firmy Applanix. Choć tego typu urządzenia zajmują coraz mniej miejsca, to są wciąż większe od modułów do nawigacji satelitarnej

7_imu

Wystarczy algorytm?

Zupełnie inne podejście do tematu reprezentuje technologia SLAM (Simultaneous Localization and Mapping). Tu do wyznaczania pozycji nie są potrzebne żadne sygnały nawigacyjne, ale pozyskiwane na bieżąco dane przestrzenne przetwarzane przez specjalny algorytm. Krótko mówiąc, urządzenie pozycjonowane jest na podstawie danych gromadzonych w trakcie jego ruchu. Jednym z popularnych wdrożeń technologii SLAM jest skaner laserowy Zeb1, który skanuje, wychylając się na specjalnej sprężynie (stąd pieszczotliwie nazywany jest „kropidłem”). Według zapewnień producenta, najnowsza odsłona tego urządzenia umożliwia pomiar nawet do 43 tys. punktów na sekundę z dokładnością 0,1% pokonanej odległości, i to bez dostępu do sygnałów GPS. Robi wrażenie!

Skaner Zeb1 firmy GeoSLAM do wyznaczania współrzędnych chmury punktów wykorzystuje algorytmy SLAM

8a_slam

Ale konkurencja nie śpi i przygotowuje własne systemy kartowania wnętrz bazujące na SLAM, czego przykładem jest nagrodzony na międzynarodowych targach geodezyjnych Intergeo 2015 zestaw Pegasus:Backpack firmy Leica Geosystems.

 Mobilny system kartowania wnętrz Leica Pegasus:Backpack

8b_leica

Dodajmy, że wiele wskazuje na to, że technologia SLAM dość szybko trafi „pod strzechy”. Wszystko za sprawą innowacyjnego tabletu Tango firmy Google (więcej o nim we wcześniejszym wpisie na blogu). Za pomocą wbudowanego sensora głębi jest on w stanie szybko zbierać gęstą chmurę punktów, która dzięki algorytmom SLAM może posłużyć do nawigowania we wnętrzach budynków oraz ich dość dokładnego pomiaru.

Jak magnes

Jednym z bardziej nietypowych pomysłów na nawigację wewnątrz budynków jest wymyślony przez fińskich naukowców IndoorAtlas. Twierdzą oni, że uniwersalnym sposobem na rozwiązanie tego problemu może być… pole magnetyczne. Duże ilości metali stosowane w budownictwie sprawiają, że naturalne pole magnetyczne Ziemi jest zaburzane. Wystarczy więc zmierzyć lokalny charakter tych zaburzeń i na tej podstawie da się określić pozycję.

Jak to zrobić? Wystarczy użyć elektronicznego kompasu, który jest już standardowym wyposażeniem większości smartfonów. Wcześniej jednak administrator budynku musi skartować lokalne pole magnetyczne, a wyniki pomiarów udostępnić użytkownikom przez specjalną aplikację. Twórcy technologii twierdzą, że oferuje ona dokładność nawet na poziomie 3 metrów. Założenia IndoorAtlas wyglądają więc bardzo obiecująco. Niestety, od momentu zaprezentowania tej technologii w 2012 roku zrobiło się o niej cicho i trudno wskazać jakieś jej poważniejsze wdrożenia.

Czekając na rewolucję

Jak widać z tego pobieżnego przeglądu technologii, choć metod wyznaczania pozycji wewnątrz budynków jest sporo (a nie wyczerpaliśmy jeszcze tematu), trudno powiedzieć, która stanie się tą jedyną, uniwersalną. A może po prostu jesteśmy skazani na łączenie kilku rozwiązań? Jedno jest pewne. Odpowiedź na to pytanie poznamy dość szybko, bo presja na znalezienie odpowiednika GPS-a działającego „w czterech ścianach” jest ogromna.

Wystarczy przytoczyć wyniki badań, które wskazują, że nasz smartfon czy tablet blisko przez 70% czasu jest używany właśnie we wnętrzach budynku. Jeśli uda się opracować skuteczną i dokładną metodę wyznaczania pozycji wewnątrz budynku, otworzy to ogromne możliwości biznesowe – zarówno w branży usług lokalizacyjnych, jak i w geodezji, kartografii, budownictwie czy w innych profesjonalnych zastosowaniach. W najbliższych latach czeka nas więc zalew nowych, mniej lub bardziej rewolucyjnych rozwiązań pomiarowych, co oznacza… mnóstwo ciekawych tematów do opisywania na naszym blogu!

Podziel się z innymi!

Komentuj

Your email address will not be published. Required fields are marked *

16 + fifteen =