Система позиционирования - Positioning system

А система позиционирования это механизм для определения позиция объекта в Космос.[1] Существуют различные технологии для этой задачи: от всемирного покрытия с точностью до метра до покрытия рабочего пространства с субмиллиметровой точностью.

Фон

В навигация, определение положения или же позиционирование это определение положения средство передвижения или человек на поверхности земной шар.[2][3] При определении местоположения используются различные визуальные и электронный методы, в том числе:

Позиции могут быть выражены как азимут и расстояние от известного ориентира или как углы из широта и долгота относительно датум карты.

Вообще говоря, определение местоположения рассчитывается с учетом измерений (называемых наблюдениями) расстояний или углов до опорных точек, положение которых известно. При съемке 2D наблюдений за тремя опорными точками достаточно, чтобы вычислить положение в двумерный самолет. На практике наблюдения подвержены ошибкам, возникающим из-за различных физических и атмосферных факторов, влияющих на измерение расстояний и углов.

Практический пример получения определения местоположения: корабль несущий измерения на трех маяки расположен вдоль побережья. Эти измерения можно было произвести визуально с помощью ручной компас, или в плохой видимости в электронном виде, используя радар или же радиопеленгация. Поскольку все физические наблюдения подвержены ошибкам, результирующее определение местоположения также подвержено ошибкам. Хотя теоретически для определения точки достаточно двух линий положения (LOP), на практике «пересечение» большего количества LOP обеспечивает большую точность и надежность, особенно если линии пересекаются под хорошим углом друг к другу. Три точки LOP считаются минимумом для практического решения проблемы навигации. Три LOP, нарисованные на графике, обычно образуют треугольник, известный как «треуголка». Навигатор будет более уверен в определении местоположения, которое формируется небольшой треуголкой с углами, близкими к углам поворота. равносторонний треугольник.

Неверно утверждать, что истинное положение навигатора «определенно» в треуголке на карте. Область сомнений, связанная с определением местоположения, называется эллипс ошибки. Чтобы минимизировать ошибку, электронная навигация системы обычно используют более трех контрольных точек для вычисления определения местоположения, чтобы увеличить избыточность данных. По мере добавления дополнительных контрольных точек определение местоположения становится более точным, и площадь результирующего эллипса ошибки уменьшается.

Процесс объединения нескольких наблюдений для вычисления определения местоположения эквивалентен решению системы линейные уравнения. Использование навигационных систем алгоритмы регрессии Такие как Наименьших квадратов для вычисления местоположения в трехмерном пространстве. Чаще всего это делается путем объединения измерений расстояния до 4 или более. GPS спутники, которые вращаются вокруг Земли по известным маршрутам.

Покрытие

Межпланетные системы

Системы межпланетной радиосвязи не только связываются с космическими кораблями, но и используются для определения их местоположения. Радар может отслеживать цели вблизи Земли, но космический корабль в дальнем космосе должен иметь работающий транспондер на борту, чтобы повторить радиосигнал. Информацию об ориентации можно получить с помощью звездные трекеры.

Глобальные системы

Основная статья: Глобальная навигационная спутниковая система

Глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS) позволяют специализированным радиоприемникам определять свое трехмерное положение в пространстве, а также время с точностью до 2–20 метров или десятков наносекунд. В настоящее время развернутые системы используют микроволновые сигналы, которые можно надежно принимать только вне помещений и которые покрывают большую часть поверхности Земли, а также околоземное пространство.

Существующие и планируемые системы:

Региональные системы

Сети наземных передатчиков позиционирования позволяют специализированным радиоприемникам определять свое 2-мерное положение на поверхности Земли. Как правило, они менее точны, чем GNSS, потому что их сигналы не полностью ограничены распространение по прямой видимости, и они имеют только региональное покрытие. Однако они остаются полезными для специальных целей и в качестве резервной копии, где их сигналы принимаются более надежно, в том числе под землей и внутри помещений, и могут быть построены приемники, потребляющие очень мало энергии батареи. ЛОРАН такая система.

Локальные системы

А система местного позиционирования (LPS) - это навигационная система, которая предоставляет информацию о местоположении в любую погоду, в любом месте в пределах покрытия сети, где нет препятствий Поле зрения до трех и более сигналов маяки из которых известно точное положение на Земле.[4][5][6][7]

В отличие от GPS или другой глобальные навигационные спутниковые системы, системы локального позиционирования не обеспечивают глобального покрытия. Вместо этого они используют (набор) маяков, которые имеют ограниченный диапазон, следовательно, требуют, чтобы пользователь был рядом с ними. Маяки включают сотовый базовые станции, Вай фай и LiFi точки доступа и радио вещательные башни.

В прошлом LPS дальнего действия использовались для навигации кораблей и самолетов. Примерами являются Система Decca Navigator и ЛОРАН В настоящее время локальные системы позиционирования часто используются в качестве дополнительной (а в некоторых случаях альтернативной) технологии позиционирования по отношению к GPS, особенно в районах, где GPS не работает или работает плохо, например, внутри зданий, или же городские каньоны. Локальное позиционирование с использованием сотовой связи и вещательные башни можно использовать на сотовых телефонах без GPS-приемника. Даже если в телефоне есть GPS-приемник, срок службы батареи будет увеличен, если точность определения местоположения вышки сотовой связи будет достаточной. Они также используются в безрельсовых аттракционах, таких как Охота Пуха и Мистическое поместье.

Примеры существующих систем включают

Внутренние системы

Основная статья: Система позиционирования в помещении

Системы позиционирования внутри помещений оптимизированы для использования в отдельных комнатах, зданиях или строительных площадках. Обычно они имеют сантиметровую точность. Некоторые предоставляют 6-Д информация о местоположении и ориентации.

Примеры существующих систем включают

Системы рабочего места

Они предназначены для работы только в ограниченном рабочем пространстве, обычно в несколько кубических метров, но могут обеспечивать точность в миллиметровом диапазоне или выше. Обычно они обеспечивают 6-мерное положение и ориентацию. Примеры приложений включают виртуальная реальность среды, инструменты выравнивания для компьютерная хирургия или радиология, и кинематография (захвата движения, движение матча ).

Примеры: Пульт Wii с сенсорной планкой, трекером Polhemus, решениями для точного отслеживания движения InterSense.[8]

Технологии

Существует множество технологий для определения положения и ориентации объекта или человека в комнате, здании или в мире.

Акустическое позиционирование

Основная статья: Акустическое позиционирование

Время полета

Время полета системы определяют расстояние, измеряя время распространения импульсных сигналов между передатчиком и приемником. Когда известны расстояния по крайней мере трех местоположений, четвертое положение может быть определено с помощью трилатерация. спутниковая система навигации это пример.

Оптические трекеры, такие как лазерные дальномеры страдать от Поле зрения проблемы, и на их работу отрицательно влияет окружающий свет и инфракрасное излучение. С другой стороны, они не страдают от эффектов искажения в присутствии металлов и могут иметь высокую частоту обновления из-за скорости света.[9]

Ультразвуковые трекеры имеют более ограниченный диапазон из-за потери энергии с пройденным расстоянием. Также они чувствительны к окружающему ультразвуковому шуму и имеют низкую частоту обновления. Но главное преимущество в том, что им не нужна прямая видимость.

Системы, использующие радиоволны такой как Глобальная навигационная спутниковая система не страдают от окружающего света, но все же нуждаются в прямой видимости.

Пространственное сканирование

Система пространственного сканирования использует (оптические) маяки и датчики. Можно выделить две категории:

  • Системы наизнанку, в которых маяк размещается в фиксированном положении в окружающей среде, а датчик - на объекте[10]
  • Снаружи в системах, где маяки находятся на цели, а датчики находятся в фиксированном положении в окружающей среде.

Направив датчик на маяк, можно измерить угол между ними. С триангуляция положение объекта можно определить.

Инерционное зондирование

Главное преимущество инерционное зондирование в том, что он не требует внешней ссылки. Вместо этого он измеряет вращение с помощью гироскоп или положение с акселерометр относительно известной исходной позиции и ориентации. Поскольку эти системы измеряют относительные положения, а не абсолютные, они могут страдать от накопленных ошибок и, следовательно, подвержены дрейфу. Периодическая повторная калибровка системы обеспечит большую точность.

Механическая связь

Этот тип системы слежения использует механические связи между эталоном и целью. Были использованы два типа связей. Один из них представляет собой сборку механических частей, каждая из которых может вращаться, что дает пользователю несколько возможностей вращения. Ориентация рычагов рассчитывается из различных углов рычагов, измеренных с помощью инкрементальных энкодеров или потенциометров. Другие типы механических соединений - это проволока, свернутая в бухты. Пружинная система обеспечивает натяжение проводов для точного измерения расстояния. Степени свободы, воспринимаемые трекерами с механической связью, зависят от строения механической конструкции трекера. Хотя чаще всего предоставляется шесть степеней свободы, обычно возможен только ограниченный диапазон движений из-за кинематики шарниров и длины каждого звена. Кроме того, вес и деформация конструкции увеличиваются с удалением цели от эталона и накладывают ограничение на рабочий объем.[11]

Разность фаз

Разность фаз Системы измерения сдвиг фазы входящего сигнала от излучателя на движущейся мишени по сравнению с фазой входящего сигнала от эталонного излучателя. С его помощью можно рассчитать относительное движение излучателя относительно приемника. Подобно инерционным чувствительным системам, системы разности фаз могут страдать от накопленных ошибок и, следовательно, подвержены дрейфу, но поскольку фаза может измеряться непрерывно, они могут генерировать высокие скорости передачи данных. Омега (система навигации) это пример.

Прямое зондирование поля

Системы прямого измерения поля используют известное поле для определения ориентации или положения: простой компас использует Магнитное поле Земли знать его ориентацию в двух направлениях.[11] An инклинометр использует гравитационное поле Земли узнать его ориентацию в оставшемся третьем направлении. Однако поле, используемое для позиционирования, не обязательно должно происходить от природы. Система из трех электромагниты размещенные перпендикулярно друг другу, могут определять пространственную привязку. На приемнике три датчика измеряют компоненты потока поля, полученные в результате магнитная муфта. На основе этих мер система определяет положение и ориентацию приемника по отношению к эталону излучателей.

Оптические системы

Системы оптического позиционирования основаны на оптика компоненты, такие как в тахеометры.[12]

Магнитное позиционирование

Этот раздел представляет собой отрывок из Магнитное позиционирование[редактировать]

Магнитное позиционирование это IPS (Система позиционирования в помещении ) решение, которое использует аномалии магнитного поля, типичные для помещений, за счет их использования в качестве отличительных подписей для распознавания места. Первое упоминание о позиционировании на основе магнитной аномалии можно отнести к военным приложениям 1970 года.[13]. Вместо этого использование аномалий магнитного поля для позиционирования в помещении было впервые заявлено в статьях, связанных с робототехникой в ​​начале 2000 года.[14][15].

Самые последние приложения могут использовать данные магнитных датчиков от смартфон используется для беспроводного определения местоположения предметов или людей внутри здания.[16]

В настоящее время не существует стандарта де-факто для IPS, однако магнитное позиционирование представляется наиболее полным и экономичным.[нужна цитата ]. Он обеспечивает точность без каких-либо требований к оборудованию и относительно низкую совокупную стоимость владения.[нужна цитата ]. Согласно Opus Research, магнитное позиционирование станет «основной» технологией определения местоположения внутри помещений.[17]

Гибридные системы

Поскольку у каждой технологии есть свои плюсы и минусы, в большинстве систем используется более одной технологии. Система, основанная на изменении относительного положения, такая как инерциальная система, требует периодической калибровки по сравнению с системой с абсолютным измерением положения. Системы, сочетающие две или более технологий, называются гибридными системами позиционирования.

Гибридные системы позиционирования - это системы для определения местоположения мобильного устройства с использованием нескольких различных технологий позиционирования. Обычно GPS (спутниковая система навигации ) является одним из основных компонентов таких систем в сочетании с сигналами вышек сотовой связи, сигналами беспроводного Интернета, Bluetooth датчики, IP-адреса и данные сетевой среды.[18]

Эти системы специально разработаны для преодоления ограничений GPS, который очень точен на открытых площадках, но плохо работает в помещении или между высокими зданиями ( городской каньон эффект). Для сравнения, сигналам вышек сотовой связи не мешают здания или плохая погода, но они обычно обеспечивают менее точное позиционирование. Системы позиционирования Wi-Fi может давать очень точное местоположение в городских районах с высокой плотностью Wi-Fi - и зависеть от полной базы данных точек доступа Wi-Fi.

Гибридные системы позиционирования все чаще исследуются для некоторых гражданских и коммерческих геолокационные сервисы и геолокационные СМИ, которые должны хорошо работать в городских районах, чтобы быть коммерчески и практически жизнеспособными.

Ранние работы в этой области включают проект Place Lab, который начался в 2003 году и перестал действовать в 2006 году. Более поздние методы позволяют смартфонам сочетать точность GPS с низким энергопотреблением при поиске точки перехода по идентификатору соты.[19]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "система позиционирования". Авторитетная база данных терминологии географической информации (на латыни). 2020-06-02. Получено 2020-08-31.
  2. ^ Лори Тетли; Дэвид Калькутт (7 июня 2007 г.). Электронные навигационные системы. Рутледж. С. 9–. ISBN  978-1-136-40725-3.
  3. ^ Б. Хофманн-Велленхоф; К. Легат; М. Визер (28 июня 2011 г.). Навигация: принципы позиционирования и навигации. Springer Science & Business Media. ISBN  978-3-7091-6078-7.
  4. ^ Hjelm, Johan; Колодзей, Кшиштоф В. (2006). Системы локального позиционирования Приложения и услуги LBS ([Online-Ausg.] Ред.). Бока-Ратон, Флорида: CRC / Taylor & Francis. ISBN  978-0849333491.
  5. ^ Кайкер, Р. (7–9 ноября 1995 г.). «Система локального позиционирования». WESCON / '95. Запись конференции. «Технологии связи в микроэлектронике, производящие качественную продукцию, технологии мобильной и портативной энергетики»: 756. Дои:10.1109 / WESCON.1995.485496. ISBN  978-0-7803-2636-1. S2CID  30451232.
  6. ^ [https://www.google.com/patents/US20040056798 US20040056798 Патент США US20040056798 - Система локального позиционирования - Gallitzin Allegheny]
  7. ^ [https://www.google.com/patents/US6748224 US6748224 Патент США 6748224 - Система локального позиционирования - Lucent]
  8. ^ "InterSense | Решения для точного отслеживания движения | Главная". www.intersense.com. Получено 2018-09-30.
  9. ^ Трекеры положения для головных дисплеев: обзор, Девеш Кумар Бхатнагар, 29 марта 1993 г.
  10. ^ Вудро Барфилд; Томас Коделл (1 января 2001 г.). Основы носимых компьютеров и дополненной реальности. CRC Press. ISBN  978-0-8058-2902-0.
  11. ^ а б ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СЛЕЖЕНИЯ ДЛЯ ВИРТУАЛЬНЫХ СРЕД, Янник П. Роллан, Йохан Байо и Алексей А. Гун, Центр исследований и образования в области оптики и лазеров (CREOL), Университет Центральной Флориды, Орландо, Флорида 32816
  12. ^ «оптическая система позиционирования». Авторитетная база данных терминологии географической информации (на латыни). 2020-06-02. Получено 2020-08-31.
  13. ^ [1], "Система наведения", выдано 04.09.1970 г. 
  14. ^ Суксакулчай, С .; Thongchai, S .; Уилкс, Д. М .; Кавамура, К. (октябрь 2000 г.). «Локализация мобильного робота с помощью электронного компаса для коридорной среды». Труды конференции Smc 2000. 2000 г. - международная конференция по системам, человеку и кибернетике. «кибернетика эволюционирует в системы, людей, организации и их сложные взаимодействия» (каталожный номер 0. 5: 3354–3359 т.5. Дои:10.1109 / ICSMC.2000.886523.
  15. ^ Абошоша, Ашраф; Зелл, Андреас; Тюбинген, Universität (2004). «Устранение неоднозначности позиционирования роботов с помощью лазерных и геомагнитных сигнатур». В: Материалы МСФО-8..
  16. ^ Хаверинен, Янне; Кемппайнен, Ансси (31 октября 2009 г.). «Глобальная внутренняя локализация на основе внешнего магнитного поля». Робототехника и автономные системы. 57 (10): 1028–1035. Дои:10.1016 / j.robot.2009.07.018.
  17. ^ Миллер, Дэн. «Анализ и экспертиза в разговорной торговле». Opus Research. Получено 2014-08-02.
  18. ^ AlterGeo: О нас http://platform.altergeo.ru/index.php?mode=about
  19. ^ Энергоэффективное позиционирование для смартфонов с использованием сопоставления последовательностей Cell-ID Авторы: Jeongyeup Paek, Kyu-Han Kim, Jatinder P. Singh, Ramesh Govindan

дальнейшее чтение

  • Карими, Хасан А. (01.01.2011). «Универсальная навигация». Универсальная навигация на смартфонах. Springer США. С. 75–88. Дои:10.1007/978-1-4419-7741-0_4. ISBN  9781441977403.