3D indoor positioning system based on Bluetooth beacons

Abstract

Работа посвящена проблеме определения местоположения внутри помещений в тех случаях, когда сигнал спутниковых средств (GPS, Глонасс) недоступен или ограничен. В этом случае для определения координат используют другие источники навигационной информации. К ним относятся инерциальные навигационные средства (гироскопы, акселерометры), устройства для беспроводной передачи данных Wi-Fi и Bluetooth, магнитометр, датчик атмосферного давления, видеокамера и др. В настоящее время системы позиционирования внутри помещений на основе Bluetooth и Wi-Fi (по отдельности или совместно) получили наибольшее распространение. Использование для позиционирования Bluetooth маяков имеет целый ряд преимуществ. Самыми значимыми являются возможность произвольного размещения маяков из-за их автономности и малых размеров и возможность использования недорогого и распространённого оборудования, работа с которым не требует привлечения узких, редких и высокооплачиваемых специалистов. В статье рассматривается задача позиционирования объекта в трёхмерном пространстве по данным Bluetooth устройств, расположенных в помещении и образующих многопозиционную маячную систему наблюдения. Отмечается, что для успешной работы такой системы необходимо заранее оценивать характерную погрешность оценки координат позиционируемых объектов и при необходимости изменять конфигурацию маяков. Предлагается модельная интерпретация задачи позиционирования в виде системы алгебраических линейных уравнений. Такое представление позволяет строить априорные теоретические оценки погрешности определения координат объекта, определять области пространства, где точность позиционирования недостаточна. В работе приводятся данные расчётов ожидаемой точности решения задачи в различных характерных ситуациях и результаты натурных экспериментов, подтверждающих расчёты. В целом исследование оптимистично оценивает перспективы решения 3D задач позиционирования внутри помещений с помощью Bluetooth маяков. This paper devoted to research of indoors navigation problems under poor or insufficient quality of satellite navigational data environment. The problem of object positioning in 3D space by Bluetooth devices located indoors forming a multi-position tracking system is considered in this research. Emphasized that in order to succeed for such system it is required to pre-estimate distinctive accuracy. The proposed model interpretation of the positioning problem as the system of linear equations. The classic model interpretation for method of least squares is used for resolution. General problem of linearization around reference resolution is the locality of its features. There are three concepts of problems solvability, such as fundamental solvability (observability), solvability in conditions of instrumental measurement errors and solvability under conditions of finite accuracy of computation on a computer. The first aspect of solvability is interpreted by the completeness of the rank of the corresponding system of linear algebraic equations, the second and third ones represents by the conditionality of the problem and the convergence of the iterative estimation procedure. The conducted experiments show that for the positioning problem the attributes of the linearized model are accurate enough to represent the original nonlinear problem. Such interpretation allows to build theoretical accuracy estimation priors for object coordinates evaluations and to identify the areas with insufficient positioning accuracy. In this paper there are results of expected accuracy evaluation for various system patterns with full-scale experiments proving the theoretical calculations. Experiments for problems with using SKYLAB Beacon VG01 Bluetooth transmitters and smartphone HUAWEI WAS-LX1 are presented and confirmed that math model with linear approximation defined by authors is usable for solving indoors navigation problems using Bluetooth signal. So, for good enough quantity and appropriate location of the tracks the achievable positioning accuracy could be as good as 0.2-0.3 meters for all three coordinates. Such accuracy allows to navigate small hovering objects such as drones. In general, it looks promising to use Bluetooth trackers for solving positioning problems for indoors environments.