Polohovací systém - Positioning system

A polohovací systém je mechanismus pro stanovení pozice objektu v prostor.[1] Technologie pro tento úkol existují od celosvětového pokrytí s přesností měřiče až po pokrytí pracovního prostoru s přesností na milimetr.

Pozadí

v navigace, upevnění polohy nebo umístění je určení polohy a vozidlo nebo osoba na povrchu Země.[2][3] Oprava polohy využívá různé vizuální a elektronický metody zahrnující:

Pozice mohou být vyjádřeny jako směr a rozsah od známého orientačního bodu nebo jako úhly z zeměpisná šířka a zeměpisná délka ve vztahu k a datum mapy.

Obecně se fixace polohy počítá s přihlédnutím k měření (označovaným jako pozorování) vzdáleností nebo úhlů k referenčním bodům, jejichž polohy jsou známy. Ve 2D průzkumech stačí k výpočtu polohy v a. Pozorování tří referenčních bodů dvourozměrný letadlo. V praxi jsou pozorování vystavena chybám vyplývajícím z různých fyzikálních a atmosférických faktorů, které ovlivňují měření vzdáleností a úhlů.

Praktickým příkladem získání polohy by byla loď, kterou by měla zaujmout ložisko měření na třech majáky umístěné podél pobřeží. Tato měření lze provádět vizuálně pomocí a ruční kompas, nebo za špatné viditelnosti elektronicky pomocí radar nebo rádiový směr. Jelikož všechna fyzická pozorování podléhají chybám, výsledná oprava polohy také podléhá chybám. Ačkoli teoreticky ke stanovení bodu postačují dvě linie polohy (LOP), v praxi „křížení“ více LOP poskytuje větší přesnost a jistotu, zvláště pokud se linie protínají navzájem v dobrém úhlu. Tři LOP jsou považovány za minimum pro praktickou navigační opravu. Tři LOP, když jsou nakresleny v grafu, budou obecně tvořit trojúhelník, známý jako „natažený klobouk“. Navigátor bude mít větší důvěru v upevnění polohy, které je tvořeno malým nataženým kloboukem s úhly blízkými úhlům rovnostranný trojúhelník.

Není pravda, že skutečná poloha navigátora je „definitivně“ v nataženém klobouku na mapě. Oblast pochybností obklopující fixaci polohy se nazývá chybová elipsa. Chcete-li minimalizovat chybu, elektronická navigace systémy obecně používají více než tři referenční body k výpočtu fixace polohy ke zvýšení redundance dat. Jak se přidávají redundantní referenční body, fixace polohy se stává přesnější a plocha výsledné chybové elipsy se zmenšuje.

Proces kombinování více pozorování k výpočtu fixace polohy je ekvivalentní řešení systému lineární rovnice. Používají se navigační systémy regresní algoritmy jako Nejmenší čtverce za účelem výpočtu fixace polohy v 3D prostoru. To se nejčastěji provádí kombinací měření vzdálenosti na 4 nebo více GPS satelity, které obíhají kolem Země známými cestami.

Dosah

Meziplanetární systémy

Meziplanetární-rádiový komunikační systém nejen komunikuje s kosmickými loděmi, ale také se používá k určení jejich polohy. Radar může sledovat cíle poblíž Země, ale kosmická loď v hlubokém vesmíru musí mít funkční transpondér na palubě pro ozvěnu rádiového signálu zpět. Orientační informace lze získat pomocí sledovače hvězd.

Globální systémy

Hlavní článek: Globální navigační satelitní systém

Globální navigační satelitní systémy (GNSS) umožňují specializovaným rádiovým přijímačům určit jejich polohu 3D prostoru i čas s přesností 2–20 metrů nebo desítek nanosekund. V současné době využívané systémy používají mikrovlnné signály, které lze spolehlivě přijímat pouze venku a které pokrývají většinu zemského povrchu i prostor blízký Zemi.

Stávající a plánované systémy jsou:

Regionální systémy

Sítě pozemních pozičních vysílačů umožňují specializovaným rádiovým přijímačům určit jejich 2-D polohu na povrchu Země. Obecně jsou méně přesné než GNSS, protože jejich signály nejsou zcela omezeny na šíření přímé viditelnosti, a mají pouze regionální pokrytí. Zůstávají však užitečné pro speciální účely a jako záloha, kde jsou jejich signály spolehlivěji přijímány, včetně podzemních a vnitřních, a mohou být sestaveny přijímače, které spotřebovávají velmi nízkou energii baterie. LORAN je takový systém.

Místní systémy

A místní poziční systém (LPS) je navigační systém, který poskytuje informace o poloze za každého počasí, kdekoli v rámci pokrytí sítě, kde je volný přímá viditelnost na tři nebo více signalizací majáky z nichž je známa přesná poloha na Zemi.[4][5][6][7]

Na rozdíl od GPS nebo jiný globální navigační satelitní systémy, místní poziční systémy neposkytují globální pokrytí. Místo toho používají (sadu) majáků, které mají omezený dosah, a proto vyžadují, aby byl uživatel blízko nich. Majáky zahrnují buněčný základnové stanice, Wi-Fi a LiFi přístupové body a rádio vysílací věže.

V minulosti se dálkové LPS používaly k navigaci lodí a letadel. Příklady jsou Systém Decca Navigator a LORAN V dnešní době se místní poziční systémy často používají jako doplňková (a v některých případech alternativní) technologie určování polohy k GPS, zejména v oblastech, kde GPS nedosahuje nebo je slabé, například uvnitř budov nebo městské kaňony. Lokální určování polohy pomocí celulárních a vysílací věže lze použít na mobilních telefonech, které nemají přijímač GPS. I když má telefon přijímač GPS, výdrž baterie se prodlouží, pokud je přesnost umístění mobilní věže dostatečná. Používají se také při bezkolejných zábavních jízdách Pú Hunny Hunt a Mystic Manor.

Mezi příklady stávajících systémů patří

Vnitřní systémy

Hlavní článek: Vnitřní polohovací systém

Vnitřní poziční systémy jsou optimalizovány pro použití v jednotlivých místnostech, budovách nebo staveništích. Obvykle nabízejí centimetrovou přesnost. Některé poskytují 6-D informace o poloze a orientaci.

Mezi příklady stávajících systémů patří

Systémy pracovního prostoru

Ty jsou navrženy tak, aby pokrývaly pouze omezený pracovní prostor, obvykle několik metrů krychlových, ale mohou nabídnout přesnost v milimetrovém rozsahu nebo lepší. Obvykle poskytují polohu a orientaci 6-D. Příklad aplikace zahrnuje virtuální realita prostředí, vyrovnávací nástroje pro počítačová chirurgie nebo radiologie a kinematografie (zachycení pohybu, pohybující se zápas ).

Příklady: Wii Remote se senzorovou lištou, Polhemus Tracker, řešeními pro přesné sledování pohybu InterSense.[8]

Technologie

Existuje několik technologií, které určují polohu a orientaci objektu nebo osoby v místnosti, budově nebo ve světě.

Akustické polohování

Hlavní článek: Akustické polohování

Čas letu

Čas letu systémy určují vzdálenost měřením času šíření pulzních signálů mezi vysílačem a přijímačem. Jsou-li známy vzdálenosti nejméně tří míst, lze čtvrtou pozici určit pomocí trilaterace. Globální Polohovací Systém je příklad.

Optické sledovače, jako např laserové měřicí rozsahy trpět přímá viditelnost problémy a jejich výkon nepříznivě ovlivňuje okolní světlo a infračervené záření. Na druhou stranu netrpí účinky zkreslení v přítomnosti kovů a mohou mít vysokou rychlost aktualizace kvůli rychlosti světla.[9]

Ultrazvukové sledovače mají omezenější dosah kvůli ztrátě energie s ujetou vzdáleností. Jsou také citlivé na okolní ultrazvukový hluk a mají nízkou rychlost aktualizace. Hlavní výhodou však je, že nepotřebují přímou viditelnost.

Systémy využívající rádiové vlny tak jako Globální navigační satelitní systém netrpí okolním světlem, ale stále potřebuje přímou viditelnost.

Prostorové skenování

Systém prostorového skenování používá (optické) majáky a senzory. Lze rozlišit dvě kategorie:

  • Systémy naruby, kde je maják umístěn v pevné poloze v prostředí a senzor je na objektu[10]
  • Venku v systémech, kde jsou majáky na cíli a senzory jsou v prostředí v pevné poloze

Zaměřením snímače na maják lze změřit úhel mezi nimi. S triangulace lze určit polohu objektu.

Setrvačné snímání

Hlavní výhodou setrvačné snímání je, že nevyžaduje externí odkaz. Místo toho měří rotaci pomocí a gyroskop nebo pozice s akcelerometr vzhledem ke známé výchozí poloze a orientaci. Protože tyto systémy měří relativní polohy namísto absolutních poloh, mohou trpět nahromaděnými chybami, a proto podléhají driftu. Pravidelná rekalibrace systému zajistí větší přesnost.

Mechanické spojení

Tento typ sledovacího systému využívá mechanické vazby mezi referencí a cílem. Byly použity dva typy vazeb. Jedním z nich je sestava mechanických částí, které se mohou každý otáčet, což uživateli poskytuje více možností rotace. Orientace vazeb se počítá z různých úhlů vazeb měřených inkrementálními kodéry nebo potenciometry. Dalšími typy mechanických vazeb jsou dráty, které jsou válcovány ve svitcích. Pružinový systém zajišťuje, že dráty jsou napnuty, aby bylo možné přesně měřit vzdálenost. Stupně volnosti snímané sledovači mechanických vazeb jsou závislé na složení mechanické konstrukce sledovače. I když je nejčastěji poskytováno šest stupňů volnosti, obvykle je možný pouze omezený rozsah pohybů kvůli kinematice kloubů a délce každého článku. Také váha a deformace konstrukce se zvyšují se vzdáleností terče od reference a ukládají omezení pracovního objemu.[11]

Fázový rozdíl

Fázový rozdíl systémy měří posun fáze příchozího signálu z vysílače na pohybující se cíl ve srovnání s fází příchozího signálu z referenčního vysílače. Díky tomu lze vypočítat relativní pohyb emitoru vzhledem k přijímači Stejně jako inerciální snímací systémy mohou systémy fázového rozdílu trpět nahromaděnými chybami, a proto podléhají driftu, ale protože lze fázi měřit kontinuálně, jsou schopné generovat vysoké datové rychlosti. Omega (navigační systém) je příklad.

Přímé snímání pole

Systémy přímého snímání pole používají k odvození orientace nebo polohy známé pole: jednoduché kompas používá Zemské magnetické pole znát jeho orientaci ve dvou směrech.[11] An sklonoměr používá zemské gravitační pole znát jeho orientaci ve zbývajícím třetím směru. Pole používané k určování polohy však nemusí pocházet z přírody. Systém tří elektromagnety umístěné kolmo na sebe mohou definovat prostorový odkaz. Na přijímači tři senzory měří složky toku pole přijímaného v důsledku magnetická vazba. Na základě těchto opatření systém určí polohu a orientaci přijímače vzhledem k referenční hodnotě emitentů.

Optické systémy

Optické polohovací systémy jsou založeny na optika komponenty, například v totální stanice.[12]

Magnetické polohování

Tato část je výňatkem z Magnetické polohování[Upravit]

Magnetické polohování je IPS (Vnitřní polohovací systém ) řešení, které využívá anomálií magnetického pole typických pro vnitřní prostředí tím, že je používá jako charakteristické podpisy pro rozpoznávání míst. První citace polohování na základě magnetické anomálie lze vysledovat zpět k vojenským aplikacím v roce 1970[13]. Použití anomálií magnetického pole pro určování polohy ve vnitřních prostorách bylo místo toho poprvé nárokováno v článcích týkajících se robotiky na počátku roku 2000[14][15].

Nejnovější aplikace mohou využívat data magnetického senzoru z a chytrý telefon slouží k bezdrátovému vyhledání předmětů nebo osob uvnitř budovy.[16]

V současné době neexistuje žádný de facto standard pro IPS, nicméně magnetické určování polohy se jeví jako nejúplnější a nákladově nejefektivnější[Citace je zapotřebí ]. Nabízí přesnost bez jakýchkoli hardwarových požadavků a relativně nízké celkové náklady na vlastnictví[Citace je zapotřebí ]. Podle výzkumu společnosti Opus se magnetické určování polohy ukáže jako „základní“ technologie pro určování polohy ve vnitřních prostorách.[17]

Hybridní systémy

Protože každá technologie má své klady a zápory, většina systémů používá více než jednu technologii. Systém založený na relativních změnách polohy, jako je setrvačný systém, vyžaduje pravidelnou kalibraci oproti systému s absolutním měřením polohy. Systémy kombinující dvě nebo více technologií se nazývají hybridní poziční systémy.

Hybridní poziční systémy jsou systémy pro zjišťování polohy mobilního zařízení pomocí několika různých pozičních technologií. Obvykle GPS (Globální Polohovací Systém ) je jednou z hlavních součástí těchto systémů v kombinaci se signály mobilní věže, bezdrátovými internetovými signály, Bluetooth senzory, IP adresy a data síťového prostředí.[18]

Tyto systémy jsou speciálně navrženy tak, aby překonaly omezení GPS, které je velmi přesné v otevřených oblastech, ale špatně funguje uvnitř nebo mezi vysokými budovami ( městský kaňon účinek). Pro srovnání, signálům buněčné věže nebrání budovy nebo špatné počasí, ale obvykle poskytují méně přesné umístění. Wi-Fi poziční systémy může poskytnout velmi přesné umístění v městských oblastech s vysokou hustotou Wi-Fi - a závisí na komplexní databázi přístupových bodů Wi-Fi.

Hybridní poziční systémy jsou stále více zkoumány pro určité civilní a komerční účely lokalizační služby a média založená na poloze, které musí dobře fungovat v městských oblastech, aby byly komerčně a prakticky životaschopné.

Mezi raná díla v této oblasti patří projekt Place Lab, který byl zahájen v roce 2003 a byl neaktivní v roce 2006. Pozdější metody umožňují smartphonům kombinovat přesnost GPS s nízkou spotřebou energie při hledání přechodového bodu cell-ID.[19]

Viz také

Reference

  1. ^ "poziční systém". Autoritativní terminologická databáze geografických informací (v latině). 2020-06-02. Citováno 2020-08-31.
  2. ^ Laurie Tetley; David Calcutt (7. června 2007). Elektronické navigační systémy. Routledge. str. 9–. ISBN  978-1-136-40725-3.
  3. ^ B. Hofmann-Wellenhof; K. Legat; M. Wieser (28. června 2011). Navigace: Zásady určování polohy a vedení. Springer Science & Business Media. ISBN  978-3-7091-6078-7.
  4. ^ Hjelm, Johan; Kolodziej, Krzysztof W. (2006). Místní poziční systémy LBS aplikace a služby ([Online-Ausg.] Ed.). Boca Raton, FL: CRC / Taylor & Francis. ISBN  978-0849333491.
  5. ^ Kyker, R (7. – 9. Listopadu 1995). „Místní poziční systém“. WESCON / '95. Záznam konference. „Mikroelektronická komunikační technologie produkující kvalitní produkty Mobilní a přenosné technologie pro vznik energie“: 756. doi:10.1109 / WESCON.1995.485496. ISBN  978-0-7803-2636-1. S2CID  30451232.
  6. ^ [https://www.google.com/patents/US20040056798 US20040056798 US Patent US20040056798 - Místní poziční systém - Gallitzin Allegheny]
  7. ^ [https://www.google.com/patents/US6748224 US6748224 US patent 6748224 - Místní poziční systém - Lucent]
  8. ^ "InterSense | Řešení pro přesné sledování pohybu | Domů". www.intersense.com. Citováno 2018-09-30.
  9. ^ Sledovače polohy pro systémy displeje namontované na hlavě: průzkum, Devesh Kumar Bhatnagar, 29. března 1993
  10. ^ Woodrow Barfield; Thomas Caudell (1. ledna 2001). Základy nositelných počítačů a rozšířená realita. CRC Press. ISBN  978-0-8058-2902-0.
  11. ^ A b PŘEHLED TECHNOLOGIE SLEDOVÁNÍ PRO VIRTUÁLNÍ PROSTŘEDÍ, Jannick P. Rolland, Yohan Baillot a Alexei A. Goon, Centrum pro výzkum a vzdělávání v optice a laserech (CREOL), University of Central Florida, Orlando FL 32816
  12. ^ "optický poziční systém". Autoritativní terminologická databáze geografických informací (v latině). 2020-06-02. Citováno 2020-08-31.
  13. ^ [1] „Guidance system“, vydaný 4.9.1970 
  14. ^ Suksakulchai, S .; Thongchai, S .; Wilkes, D. M .; Kawamura, K. (říjen 2000). „Lokalizace mobilních robotů pomocí elektronického kompasu pro prostředí koridoru“. Sborník z konference SMC 2000. 2000 tj. Mezinárodní konference o systémech, člověku a kybernetice. „kybernetika se vyvíjí v systémy, lidi, organizace a jejich komplexní interakce“ (kat. č. 0. 5: 3354–3359 vol.5. doi:10.1109 / ICSMC.2000.886523.
  15. ^ Aboshosha, Ashraf; Zell, Andreas; Tübingen, Universität (2004). „Disambiguating Robot Positioning using Laser and Geomagnetic Signatures“. In: sborník IAS-8.
  16. ^ Haverinen, Janne; Kemppainen, Anssi (31. října 2009). "Globální vnitřní lokalizace na základě magnetického pole okolního prostředí". Robotika a autonomní systémy. 57 (10): 1028–1035. doi:10.1016 / j.robot.2009.07.018.
  17. ^ Miller, Dan. „Analýza a odbornost v konverzačním obchodu“. Opus Research. Citováno 2014-08-02.
  18. ^ AlterGeo: O nás http://platform.altergeo.ru/index.php?mode=about
  19. ^ Energeticky efektivní určování polohy pro smartphony pomocí porovnávání sekvencí Cell-ID autori Jeongyeup Paek, Kyu-Han Kim, Jatinder P. Singh, Ramesh Govindan

Další čtení