Система позиционирования

редактировать
(Перенаправлен из функции определения местоположения )

Система позиционирования - это механизм определения положения объекта в пространстве. Существуют различные технологии для этой задачи: от всемирного покрытия с точностью до метра до покрытия рабочего пространства с субмиллиметровой точностью.

Содержание

  • 1 Предпосылки
  • 2 Покрытие
    • 2.1 Межпланетные системы
    • 2.2 Глобальные системы
    • 2.3 Региональные системы
    • 2.4 Локальные системы
      • 2.4.1 Внутренние системы
      • 2.4.2 Системы рабочего пространства
  • 3 Технологии
    • 3.1 Время полета
    • 3.2 Пространственное сканирование
    • 3.3 Инерционное зондирование
    • 3.4 Механическая связь
    • 3.5 Разность фаз
    • 3.6 Прямое зондирование поля
    • 3.7 Оптические системы
    • 3.8 Гибридные системы
  • 4 См. Также
  • 5 ссылки
  • 6 Дальнейшее чтение

Задний план

В навигации, положение прикрепления или позиционирования является определение положения транспортного средства или человека на поверхности Земли. Для определения местоположения используются различные визуальные и электронные методы, включая:

Позиции могут быть выражены в виде подшипника и диапазон от известного ориентира или в качестве углов от широты и долготы по отношению к карте опорной точки.

Вообще говоря, определение местоположения рассчитывается с учетом измерений (называемых наблюдениями) расстояний или углов до опорных точек, положение которых известно. В двухмерных съемках наблюдений за тремя опорными точками достаточно, чтобы вычислить положение в двухмерной плоскости. На практике наблюдения подвержены ошибкам, возникающим из-за различных физических и атмосферных факторов, которые влияют на измерение расстояний и углов.

Практическим примером определения местоположения может быть измерение судном пеленга трех маяков, расположенных вдоль побережья. Эти измерения могут быть выполнены визуально с помощью компаса с ручным пеленгом или в условиях плохой видимости электронным способом с помощью радара или радиопеленгатора. 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 равностороннего треугольника.

Неверно сказать, что истинное положение навигатора «определенно» в треуголке на карте. Область сомнения, окружающая определение местоположения, называется эллипсом ошибки. Чтобы свести к минимуму ошибку, электронные навигационные системы обычно используют более трех контрольных точек для вычисления местоположения, чтобы увеличить избыточность данных. По мере добавления дополнительных опорных точек определение местоположения становится более точным, и площадь результирующего эллипса ошибки уменьшается.

Процесс объединения нескольких наблюдений для вычисления определения местоположения эквивалентен решению системы линейных уравнений. Системы навигации используют алгоритмы регрессии, такие как метод наименьших квадратов, для вычисления определения местоположения в трехмерном пространстве. Чаще всего это делается путем объединения измерений расстояния до 4 или более спутников GPS, 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 глубоком космосе должен иметь на борту работающий транспондер для отражения радиосигнала. Информацию об ориентации можно получить с помощью звездных трекеров.

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 ограничиваются полностью прямой видимостью и 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

Система локального позиционирования ( LPS) - это навигационная система, которая предоставляет информацию о местоположении в любую погоду, в любом месте в пределах зоны покрытия сети, где есть беспрепятственная прямая видимость для трех или более сигнальных маяков, точное положение которых известно..

В отличие от GPS или других глобальных навигационных спутниковых систем, локальные системы позиционирования не обеспечивают глобального покрытия. Вместо этого они используют (набор) маяков, которые имеют ограниченный диапазон, поэтому от пользователя требуется находиться рядом с ними. К маякам относятся базовые станции сотовой связи, точки доступа Wi-Fi и LiFi, а также вышки радиовещания.

В прошлом LPS дальнего действия использовались для навигации кораблей и самолетов. Примерами являются система Decca Navigator и LORAN. 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 городских каньонов. Локальное позиционирование с помощью вышек сотовой связи и вещания можно использовать на сотовых телефонах, не имеющих приемника GPS. 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 Hunny Hunt Pooh's и Mystic Manor.

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-мерную информацию о местоположении и ориентации.

Примеры существующих систем включают

Системы рабочего пространства

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 среды виртуальной реальности, инструменты выравнивания для компьютерной хирургии или радиологии и кинематографию ( захват движения, перемещение спичек ).

Примеры: Wii Remote с сенсорной планкой, Polhemus Tracker, решения для точного отслеживания движения InterSense.

Технологии

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

Время полета

Системы времени пролета 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 трилатерации. Глобальная система позиционирования является примером.

Оптические трекеры, такие как лазерные дальномеры, страдают от проблем с прямой видимостью, а на их работу отрицательно влияет окружающий свет и инфракрасное излучение. С другой стороны, они не подвержены эффектам искажения в присутствии металлов и могут иметь высокую частоту обновления из-за скорости света.

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, такие как Глобальная навигационная спутниковая система, не страдают от окружающего света, но по-прежнему 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
  • 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 помощью триангуляции можно определить положение объекта.

Инерционное зондирование

Основное преимущество инерциального зондирования является то, что она не требует внешней ссылки. Вместо этого он измеряет вращение с помощью гироскопа или положение с помощью акселерометра относительно известного исходного положения 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.

Разность фаз

Разность фаз системы измеряют сдвиг фазы входящего сигнала от излучателя на движущейся мишени по сравнению с фазой входящего сигнала от эталонного излучателя. Таким образом 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) является примером.

Прямое зондирование поля

Системы измерения прямого поля используют известное поле для определения ориентации или положения: простой компас использует магнитное поле Земли, чтобы узнать ее ориентацию в двух направлениях. Инклинометр использует гравитационное поле Земли, чтобы знать свою ориентацию в оставшееся третьем направлении. Однако поле, используемое для позиционирования, не обязательно должно происходить от природы. Система из трех электромагнитов, расположенных перпендикулярно друг другу, может определять пространственную привязку. На приемнике три датчика измеряют компоненты потока поля, полученные в результате магнитной связи. На основе этих мер система определяет положение и ориентацию приемника по отношению к эталону излучателей.

Оптические системы

Системы оптического позиционирования основаны на оптических компонентах, например, в тахеометрах.

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 одним из основных компонентов таких систем является GPS ( глобальная система позиционирования ) в сочетании с сигналами вышек сотовой связи, сигналами беспроводного Интернета, датчиками Bluetooth, IP-адресами и данными сетевой среды.

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

Гибридные системы позиционирования все больше изучается для некоторых гражданских и коммерческих услуг на основе определения местоположения и определения местоположения на основе средств массовой информации, которые должны хорошо работать в городских районах, для того, чтобы быть коммерчески и практически жизнеспособным.

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.

Смотрите также

Ссылки

дальнейшее чтение

Последняя правка сделана 2023-03-31 06:51:38
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте