Войти
A Система позиционирования - это механизм для определения позиции объекта в пространстве. Существуют различные технологии для решения этой задачи: от всемирного покрытия с точностью до метра до покрытия рабочего пространства с субмиллиметровой точностью.
В навигация, определение местоположения или определение местоположения - это определение местоположения транспортного средства или человека на поверхности Земли. Для определения местоположения используются различные визуальные и электронные методы, включая:
Позиции может быть выражено как азимут и расстояние от известного ориентира или как углы широты и долготы относительно датума карты.
Как правило Говоря, определение местоположения рассчитывается с учетом измерений (называемых наблюдениями) расстояний или углов до опорных точек, положение которых известно. В двухмерной съемке наблюдений за тремя опорными точками достаточно, чтобы вычислить положение на двумерной 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 выполнение судном измерений 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 утверждать, что истинное положение навигатора «определенно» в пределах треуголка на графике. Область сомнения вокруг определения местоположения называется эллипсом ошибки . Чтобы минимизировать ошибку, системы электронной навигации обычно используют более трех контрольных точек для вычисления определения 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. В навигационных системах используются алгоритмы регрессии, такие как Наименьшие квадраты 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 траекториям.
Система межпланетной радиосвязи не только взаимодействует с космическими кораблями, но также используется 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. Информация об ориентации может быть получена с помощью звездных трекеров.
Глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS), которые позволяют специализированным радиоприемникам определять свое трехмерное положение в пространстве, а также время с точностью. 2–20 метров или десятки 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:
Сети наземных передатчиков определения местоположения позволяют специализированным радиоприемникам определять свое двухмерное положение на поверхности Земли. Как правило, они менее точны, чем GNSS, поскольку их сигналы не ограничиваются полностью распространением в пределах прямой видимости 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.
A локальная система определения местоположения (LPS ) - это навигационная система, которая предоставляет информацию о местоположении в любую погоду, в любом месте в пределах покрытия сети, где есть беспрепятственная прямая видимость до трех или более сигнальных маяков, точное положение которых известно.
В отличие от GPS или других глобальные навигационные спутниковые системы, 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 сотовые базовые станции, точки доступа Wi-Fi и LiFi, а также вышки радиовещания .
в В прошлом LPS дальнего действия использовались для навигации кораблей и самолетов. Примеры: Decca Navigator System 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 областях, где GPS не достигает или работает плохо, например, внутри зданий или городские каньоны. Локальное позиционирование с помощью сотовых и вещательных вышек можно использовать на сотовых телефонах, не имеющих приемника GPS. Даже если в телефоне есть приемник GPS, срок службы батареи будет увеличен, если точность определения местоположения вышки сотовой связи будет достаточной. Они также используются в безрельсовых аттракционах, таких как Pooh's Hunny Hunt и Mystic Manor.
Примеры существующих систем включают
Внутренние системы позиционирования оптимизированы для использования в отдельных комнатах, зданиях или строительных площадках. Обычно они имеют сантиметровую точность. Некоторые предоставляют информацию о местоположении и ориентации 6-D.
Примеры существующих систем:
Они предназначены для покрытия только ограниченного рабочего пространства, обычно несколько кубических метров, но могут обеспечивать точность в миллиметрах. -диапазон или лучше. Обычно они обеспечивают 6-мерное положение и ориентацию. Примеры приложений включают среды виртуальной реальности, инструменты выравнивания для компьютерной хирургии или радиологии и кинематографии (захват движения, соответствие движению ).
Примеры: Wii Remote с сенсорной планкой, трекером Polhemus, решениями для точного отслеживания движения InterSense.
Существует несколько технологий для определения положения и ориентация объекта или человека в комнате, здании или в мире.
Время полета Системы определяют расстояние путем измерения времени 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 прямой видимости, 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.
Ультразвуковые трекеры имеют более ограниченный диапазон из-за потери энергии с пройденное расстояние. 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.
Система пространственного сканирования использует (оптические) маяки и датчики. Можно выделить две категории:
Направив датчик на маяк, можно измерить угол между ними. С помощью триангуляции можно определить положение объекта.
Основное преимущество в инерциальной 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.
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 увеличением расстояния от объекта до эталона и накладывают ограничение на рабочий объем.
Разность фаз Системы измеряют сдвиг в фаза входящего сигнала от излучателя на мишень по сравнению с подвижной 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.
Системы обнаружения прямого поля используют известное поле для определения ориентации или положения: простой компас использует магнитное поле Земли для знать его ориентацию в двух направлениях. Инклинометр использует гравитационное поле Земли, чтобы узнать его ориентацию в оставшемся 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 позиционирования основаны на компонентах оптики, например, в тахеометрах.
Магнитное позиционирование представляет собой решение IPS (Система позиционирования в помещении ), которое использует аномалии магнитного поля, типичные для помещений, за счет их использования в качестве отличительных сигнатур для распознавания места. Первое упоминание о позиционировании, основанном на магнитных аномалиях, можно проследить до военных применений в 1970 году. Вместо этого впервые было заявлено об использовании аномалий магнитного поля для определения местоположения внутри помещений в статьях, связанных с робототехникой в начале 2000 года.
Самые последние приложения могут использовать данные магнитного датчика от смартфона, который используется для беспроводного определения местоположения объектов или людей внутри здания.
В настоящее время нет стандарта де-факто для IPS, однако магнитное позиционирование, по-видимому, является наиболее полным и затратным эффективный. Он предлагает точность без каких-либо требований к оборудованию и относительно низкую совокупную стоимость владения. Согласно Opus Research, магнитное позиционирование станет «базовой» технологией определения местоположения внутри помещений.Поскольку каждая технология имеет 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 (Global Positioning System ) в сочетании с сигналами вышек сотовой связи, сигналами беспроводного Интернета, датчиками Bluetooth, IP-адресами и сетью. данные об окружающей среде.
Эти системы специально разработаны для преодоления ограничений GPS, который очень точен на открытых участках, 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 определения местоположения Wi-Fi могут давать очень точное определение местоположения в городских районах с высокой плотностью Wi-Fi и зависят от полной базы данных точек доступа Wi-Fi.
Гибридные системы позиционирования все чаще используются для некоторых гражданских и коммерческих сервисов на основе определения местоположения и носителей информации на основе определения местоположения, которые должны хорошо работать в городских районах, 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.
