Когда я только начинал инженерную деятельность разработкой пеленгаторов, в головах опытных товарищей, называемых нами, молодыми, за глаза "дедами", бродила мечта о “пеленгаторе на пупке”. “Это — говорили они — такой маленький пеленгатор, который можно носить с собой и пеленговать украдкой. Вот, дескать, нам приходится таскать на себе такие тяжести на крышу и обратно (хотя таскала, конечно, молодежь), а они, молодежь, никак не разработают такую вещь”. Смотря на стоящие на столе огромные железяки, мы считали их немного не в себе.
Со временем техника уменьшалась в размерах, конечно не настолько, чтобы можно было носить за пазухой. Но несколькими годами позднее, познав немного проектирование антенной техники, я уже не относился к этим мечтам старших товарищей, как к бредням.
Затем буря экзистенциального кризиса вынесла меня из уютного офиса прославленной в узких кругах организации в жестокий океан народного хозяйства. Но молодость не отпускает, она въедается в наш и я обнаружил — что бы я ни взялся делать, у меня почти всегда выходил пеленгатор. По крайней мере, так говорят мои товарищи.
Ужасный рок! Но я осмотрелся и увидел, что пеленгаторы могут быть нужны обычным людям. Это давало надежду!
Сначала укажу на интерес сугубо мирных организаций к пеленгаторам (Direction Finders). В организации Bluetooth есть рабочая группа по внедрению возможности определения угла прихода волны в радио-средства Bluetooth стандарта номер 5. Они прорабатывают изменения в физическом уровне, которые позволят строить пеленгаторы источников излучения Bluetooth. Целью разработки, скорее всего, является улучшение позиционирования мобильных устройств пользователя и Bluetooth-радиометок (маяков). Они бывают персональные, которые можно носить с собой или вешать на вещи, и инфраструктурные, которые крепят на стены. Сейчас их в любом случае почти всегда позиционируют по уровню сигнала. Это такие вот штуки (все на свете их уже видели):
И действительно, давайте представим себе будущий мир, напичканный устройствами Интернета Вещей (IoT — Internet of Things). В одной с вами комнате будут излучать несколько десятков IoT-устройств: лампочки, колонки, датчики внешней среды, нательные гаджеты, смартфоны, планшеты, маячки на детях, собачках, котиках, wifi-роутеры, чайники, кофеварки, стиральные машины и другие взрослые игрушки). И хорошо, если вы уже бывали в этом месте и ваш гаджет запомнил соответствие идентификатора устройства конкретной физической вещи. А если вы здесь впервые, а вам обязательно надо приглушить свет или звук вот в этой части комнаты (ужас! неужели это правда будет кто-то делать). И вы ни за что не захотите свайпить длинный список устройств, а захотите просто перевести свое внимание — навести свой гаджет — на нужный предмет и управлять им. Вот тогда будет очень нужно знать, какой идентификатор устройства в фокусе вашего внимания.
(Бред, но хоть что-то! Хоть какой-то смысл в каждодневных усилиях одинокого инженера!)
Сначала я пошел по проторенной дороге — стал делать фазовый пеленгатор. Но вскоре увидел, что это уже сделано. Есть финская фирма Quoppa, как я думаю, осколок от объединения с Microsoft какого-то подразделения Nokia. Они внедряют свои пеленгаторы в системы позиционирования в помещениях. Их штука подвешивается к потолку и показывает вектор в направлении Bluetooth-маяка, которым уже сегодня может быть все что угодно.
Вообще, Nokia была главным застрельщиков в этом вопросе. Вот статья черте-какого года, в которой они рассказывают про пеленгатор Bluetooth на мобильном устройстве. Тогда даже название Интернет Вещей еще было не на слуху.
Осознав, что существующий уровень техники не позволяет мне создать малогабаритный фазовый пеленгатор, я начал пробовать амплитудный. Хотя электроника для нахождения угла прихода волны двигалась вперед. Фирмы Broadcom и Marvel анонсировали чипсеты с поддержкой Bluetooth 5 с функцией пеленгования (AoA — angle of arrival). Но получить доступ даже просто к документации не получилось. А их ребята на конференция бодро рассказывали (про позиционирование Bluetooth 5 устройств сразу смотрите с 12-й минуты 25-й секунды), как скоро пользователи мобильных устройств будут направлять смартфон на Bluetooth устройство и получать информацию. То есть, это получается дополненная реальность в интернете вещей. Концепция!
Так вот, амплитудный пеленгатор. Естественно хотелось сделать что-то маленькое. Обычная направленная антенна не подходит. Размеры ее зависят от направленности, на стандартную частоту 2.4 ГГц ничего хорошего в размерах планшета не получить. Тут всплыло давно забытое старое решение — моноимпульсный амплитудный пеленгатор. В те времена, когда приемники были дорогие и громоздкие, а пеленговать было нужно, инженеры пользовались не "положительной", а “отрицательной” направленностью. Грубо говоря, ловили не на максимум сигнала, а на минимум, на ноль. Так работает и рамочная антенна на коротковолновых пеленгаторах, знакомых неискушенному читателю, например, по фильму о Штирлице. Так же работает и пеленгатор в “охоте на лис”. И еще во многих хороших и не очень пеленгаторах.
Характерной особенностью таких пеленгаторов является необходимость двигаться для получения точного пеленга. Нет, можно и стоять на месте, но тогда отсчет будет неточный. Точность в таком пеленгаторе живет возле нуля диаграммы направленности.
Первый блин вышел таким.
Эта штука состоит из двух антенн. Первая имеет плавную диаграмму направленности, а вторая — резко меняющуюся.
По разнице уровней с двух антенн можно определить насколько близко по углу источник волны находится в нормали к плоскости устройства. Чем больше разница, тем ближе источник к нормали к плоскости устройства или, другими словами, к фокусу камеры планшета или смартфона, если устройство закреплено с его тыльной стороны.
Первый такой пеленгатор был сделан для Bluetooth-маяков. Вот ролик с демонстрацией его работы.
Хотя устройство получилось маленьким, у него была большая зависимость от поляризации падающей волны. При падении на такой пеленгатор волны с вектором поляризации преимущественно параллельным к плоскости устройства пеленгационная характеристика вырождалась. Грубо говоря, он просто переставал работать. На ролике видно, что надо было немного вращать устройство вокруг оси, перпендикулярной его плоскости.
Таким образом, надо было сделать штырь с круговой поляризацией. Эта задача в исходных размерах пока не решена, но если увеличить пеленгатор раза в два, то можно предложить конструкцию типа расфазированной антенной решетки. Это решетка из четырех элементов, фазы которых повернуты друг относительно друга. У нее будет ноль по нормали и круговая поляризация. Как показывают графики, разница между диаграммами направленности для горизонтальной и вертикальной поляризаций незначительна.
Это измеренные характеристики реальной модели:
Размеры пеленгатора стали вдвое больше, сильно возросла сложность антенны, но поляризационное вырождение пропало.
Теперь пеленгатор работает так. И выглядит так:
Собственно приемник может быть построен на любом Bluetooth или WiFi-модуле или чипе. Например, на ESP8266, как сделано сейчас. Устройство соединяется с мобильным девайсом по USB. Разница уровней инвертируется и показывается на фоне реального видео как размер окружности. Чем дальше фокус камеры от направления на источник, тем больше диаметр, чем ближе — тем меньше. Что вполне естественно, при наведении на источник круг сжимается.
Исходники приложения на Андроид доступны на GitHub.
Следует упомянуть две базовые проблемы. Во-первых, чувствительность такого пеленгатора заведомо намного хуже фазового, так как она определяется усилением антенны в минимуме диаграммы направленности. Во-вторых, на такой пеленгатор влияет многолучевость, как и на все другие, но встроенной возможности справляться с ней у пеленгатора нет. В условия интерференции нужно двигаться, чтобы обнаружить местоположение источника. Нужна некоторая тренировка, чтобы научиться делать это быстро.
Но на счет этой сложности есть кое-какие соображения. Если они подтвердятся, то я обязательно здесь об этом напишу.
Попытка внедрения пеленгатора в народное хозяйство оказалась провальной. Поэтому мне очень важно услышать ваше мнение о том, кому могло бы пригодиться такое устройство и для чего.
Автор: Игорь Царик (Igor Tsarik)
