Fázové meranie vzdialenosti VHF (RTLS)

Fázové meranie vzdialenosti VHF je metóda systému lokalizácie v reálnom čase (RTLS) na určovanie polohy vo vnútorných aj vonkajších priestoroch. Pevné gateway vysielajú nemodulované nosné VHF. Tracker na osobe alebo na sledovanom predmete ich prijme, odmeria fázu, oddelí priamu cestu od odrazov a 3D polohu vypočíta priamo v zariadení. Nejde o trilateráciu podľa indikátora sily prijatého signálu (RSSI) ani o čas preletu ultraširokopásmovej technológie (UWB) na hustej stropnej sieti.

Rádiové pásmo leží vo VHF, typicky v úzkych podpásmach okolo 148 až 174 MHz. Nízka frekvencia preniká betónom a konštrukciou budovy lepšie než vysokofrekvenčné impulzy UWB alebo pásmo 2,4 GHz používané technológiou Bluetooth Low Energy (BLE). V reálnych automobilových závodoch je so štyrmi anténami (gateway) úplne dosiahnuteľná presnosť okolo 3 m (10 ft). Ide o strednú presnosť na hľadanie (asi 3 m / 10 ft) naprieč veľkou halou alebo zmiešaným vnútorným a vonkajším areálom, bez toho, aby sa celá strecha osadila anténami. Typický plánovací balík na približne 40 000 m² (asi 430 000 ft²) zahŕňa štyri antény VHF a jednu súkromnú LoRa gateway, ktorá zbiera uplinky z trackerov. Prospekty niekedy uvádzajú vyššiu presnosť z meraní v ideálnych podmienkach. Ako plánovací orientír slúži v závodoch overená hodnota 3 m (10 ft) so štyrmi anténami. Na vlastnej skúšobnej ploche s inventárom treba overiť, či to ešte platí. Keď tracker polohu vypočíta, odošle ju späť cez súkromnú sieť LoRa / LoRaWAN. LoRa gateway potom prúd dát posunie do závodu cez Ethernet alebo cez LTE (4G / 5G), takže digitálne dvojča a logistické systémy dostanú súradnice bez Wi-Fi alebo BLE na každom trackeri.

Pre tímy v závode ide o vzor, ktorý treba rozpoznať, keď ponuka hovorí o neprerušovanej lokalizácii vnútri aj vonku naprieč areálom a o prenikaní cez steny s malým počtom antén. Vedľa iných rodín RTLS ide o špecializovanú technologickú zostavu, nie o hotový Bluetooth lokalizátor. twinzo dokáže ten istý prúd polôh spracovať v aktuálnom digitálnom dvojčati spolu s ostatnými lokalizačnými technológiami. Podrobný rozbor nájdete v článku VHF v RTLS: fázové meranie vzdialenosti v halách a areáloch. Krátky prehľad trhu prináša článok Technológie RTLS na trhu.

Hlavné súčasti

Gateway (vysielače): Pevné stanice, ktoré vysielajú nemodulované nosné VHF. Pokrytie určuje umiestnenie a výška antén. Antén je výrazne menej než pri typickej streche lokalizátorov UWB alebo BLE. Presné podpásmo VHF závisí od krajiny, lebo spektrum riadia národné úrady, takže pred spustením gateway treba mať schválený frekvenčný rozsah pre dané nasadenie.

Modul trackera: Elektronika na osobe alebo na sledovanom predmete, ktorá prijme nosné, spustí fázový algoritmus a súradnice vypočíta lokálne.

Meranie vzdialenosti podľa fázy: Vzdialenosť (a následne poloha) sa odvodí z nameranej fázy na nosných VHF. Algoritmus oddelí priamu cestu od odrazov pri viaccestnom šírení.

Rádiá na prenos dát: Tracker odošle vypočítanú polohu späť cez súkromnú sieť LoRa / LoRaWAN. Pri hale rádovo 40 000 m² (asi 430 000 ft²) zvyčajne stačí jedna LoRa gateway na zber týchto uplinkov vedľa štyroch antén VHF. Odtiaľ môžu dáta vstúpiť do závodu cez Ethernet alebo cez LTE (4G / 5G). LoRa prenáša malý paket s polohou. Ethernet alebo mobilná sieť ho dostane do systémov riadenia výroby (MES), systémov riadenia skladu (WMS) alebo do dvojčaťa. Ani jedno z toho nevytvára fázovú polohu VHF.

Sieťová / API vrstva: Voliteľný cloud alebo súkromný server, ktorý sprístupní polohy softvéru závodu, vrátane digitálneho dvojčaťa a logistických nástrojov.

Využitie vo výrobe a logistike

Veľké zmiešané areály používajú fázové meranie vzdialenosti VHF, keď sa ľudia, vozidlá alebo sledované predmety pohybujú medzi halami, vonkajšími plochami a jazdnými pruhmi a tím odmieta hustú vnútornú rádiovú sieť na každý meter trasy. Neprerušovaná poloha vnútri aj vonku podporuje hľadanie, bezpečnostnú reakciu a prehľad o tokoch bez výmeny globálneho polohového systému (GPS) vonku za inú zostavu pri každých dverách. Programy logistiky a optimalizácie pohybu ľudí posielajú prúd do toho istého pohľadu na halu, ktorý sa používa pri práci s internou logistikou.

Horšie sa hodí, keď jedinou úlohou je tesná vyznačená bezpečnostná bunka široká len pár metrov, alebo keď na hľadanie v zóne už stačia tisíce lacných tagov BLE. Zostavu treba prispôsobiť problému pokrytia a prenikania, nie len riadku o presnosti v prospekte.

Prínosy a úskalia

Prínos: prenikanie cez steny a pokrytie veľkej plochy s malým počtom gateway, neprerušovaná lokalizácia vnútri aj vonku, poloha počítaná v zariadení a súkromná cesta LoRa do Ethernetu alebo LTE. Úskalie: nosné VHF ležia v pásmach pod správou štátnych spektrálnych úradov. Pred vysielaním treba v každej krajine schválený frekvenčný rozsah, takže plánovanie RF zahŕňa licencovanie a miestne pridelenie, nielen výšku antén. Platí aj proprietárny hardvér a prieskum lokality. Údaje o presnosti treba brať ako východiskový orientír a skúšobnú uličku aj areál s inventárom prejsť rovnako, ako by sa overovala akákoľvek iná lokalizácia vo vnútorných priestoroch (IPS).

Súvisiace pojmy

Fázové meranie vzdialenosti VHF stojí vedľa iných rodín RTLS: BLE (RSSI alebo AoA), UWB, RFID (brána, blízkosť alebo stropné antény, ktoré sledujú aktuálne X, Y a Z), SLAM a vonku GPS. Po vypočítaní môže polohu preniesť LoRaWAN. V tom istom prehľade sa často porovnáva aj ďalšie špecializované priemyselné riešenie, aktívne RFID pre RTLS.

Časté otázky

Je fázové meranie vzdialenosti VHF to isté ako BLE alebo UWB? Nie. Polohu určuje nízkofrekvenčné fázové meranie VHF. Súkromná sieť LoRa / LoRaWAN prenáša polohu až potom, čo ju modul už pozná, a Ethernet alebo LTE (4G / 5G) ju odovzdá systémom závodu.

Nahrádza GPS vo vnútorných priestoroch? Mieri práve na vnútorné a zmiešané vnútorné a vonkajšie úlohy, kde globálny navigačný satelitný systém (GNSS) pod strechou zlyhá. Vonku môže pokračovať na tej istej zostave namiesto odovzdania na GPS pri každých dverách.

Koľko gateway potrebujeme? Oveľa menej než hustá sieť lokalizátorov UWB alebo BLE, ak cesta VHF obstojí. Automobilové haly bežne používajú štyri antény VHF a jednu súkromnú LoRa gateway na približne 40 000 m² (asi 430 000 ft²) a aj tak udržujú okolo 3 m (10 ft) presnosti na hľadanie v zóne a neprerušované pokrytie areálu. Presný počet aj tak závisí od prieskumu lokality a výšky antén. Najprv treba overiť pokrytie vo vlastnej hale a potom rozširovať.

Potrebujeme schválenie spektra? Áno, potrebujeme. Fázové meranie vzdialenosti VHF vysiela v pásmach pod správou štátu. Použiteľný frekvenčný rozsah nie je rovnaký na celom svete. Pred legálnym vysielaním gateway treba v každej krajine schválené pridelenie pásma. Patrí to do RF plánu popri pokrytí a presnosti, nie na koniec ako dodatok.

Ako sa to zobrazí v digitálnom dvojčati? Dvojča prijme prúd súradníc rovnako ako polohy z BLE alebo UWB. twinzo ich zobrazí na modeli závodu vedľa ostatných lokalizačných technológií, keď závod kombinuje viacero rádiových riešení.