Система позиционирования — это система определения положения объекта в пространстве . [1] Одной из наиболее известных и часто используемых систем позиционирования является система глобального позиционирования (GPS).
Существуют технологии систем позиционирования, варьирующиеся от покрытия по всему миру с точностью до метра до покрытия рабочего пространства с точностью до миллиметра.
Системы межпланетной радиосвязи не только осуществляют связь с космическими кораблями, но и используются для определения их положения. Радар может отслеживать цели вблизи Земли, но космический корабль в глубоком космосе должен иметь на борту работающий транспондер , который сможет ретранслировать радиосигнал. Информацию об ориентации можно получить с помощью звездных трекеров .
Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) позволяют специализированным радиоприемникам определять свое трехмерное пространственное положение, а также время с точностью до 2–20 метров или десятков наносекунд. Развернутые в настоящее время 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 позиционирования позволяют специализированным радиоприемникам определять свое двумерное положение на поверхности Земли. Они, как правило, менее точны, чем GNSS, поскольку их сигналы не полностью ограничиваются распространением в пределах прямой видимости и имеют только региональное покрытие. Тем не менее, они остаются полезными для специальных целей и в качестве резервного источника, где их сигналы принимаются более надежно, в том числе под землей и в помещении, а также могут быть построены приемники, которые потребляют очень мало энергии батареи. ЛОРАН является примером такой системы.
Система локального позиционирования ( LPS ) — это навигационная система, которая предоставляет информацию о местоположении в любую погоду, в любом месте в пределах покрытия сети, где есть беспрепятственная прямая видимость для трех и более сигнальных маяков , точное положение которых на Земле известно. . [2] [3] [4] [5]
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 радиус действия, поэтому пользователю требуется находиться рядом с ними. Маяки включают в себя 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 системы локального позиционирования часто используются в качестве дополнительной (а в некоторых случаях альтернативной) технологии позиционирования по отношению к GPS, особенно в районах, где GPS не достигает или работает слабо, например, внутри зданий или городских каньонов . Локальное позиционирование с использованием вышек сотовой связи и вещания можно использовать на сотовых телефонах, не имеющих GPS-приемника. Даже если в телефоне есть GPS-приемник, срок службы батареи будет продлен, если точность определения местоположения вышки сотовой связи будет достаточной. Их также используют в безрельсовых аттракционах, таких как « Охота на Ханни Пуха» и «Мистическое поместье» .
Примеры существующих систем включают в себя
Системы внутреннего позиционирования оптимизированы для использования в отдельных помещениях, зданиях или строительных площадках. Обычно они обеспечивают точность до сантиметра. Некоторые предоставляют шестимерную информацию о местоположении и ориентации.
Примеры существующих систем включают в себя
Они предназначены для покрытия только ограниченного рабочего пространства, обычно нескольких кубических метров, но могут обеспечить точность в диапазоне миллиметров или выше. Обычно они обеспечивают шестимерное положение и ориентацию. Примеры приложений включают среды виртуальной реальности , инструменты выравнивания для компьютерной хирургии или радиологии, а также кинематографию ( захват движения , перемещение спичек ).
Примеры: пульт Wii Remote с сенсорной панелью, Polhemus Tracker, решения для точного отслеживания движения InterSense. [6]
Высокопроизводительная система позиционирования используется в производственных процессах для плавного и точного перемещения объекта (инструмента или детали) с шестью степенями свободы по желаемому пути, в желаемой ориентации, с высоким ускорением , большим замедлением , высокой скоростью и малым временем стабилизации. . Он предназначен для быстрой остановки движения и точного размещения движущегося объекта в желаемом конечном положении и ориентации с минимальными дрожаниями.
Примеры: высокоскоростные станки , лазерное сканирование , соединение проводов , проверка печатных плат , лабораторный анализ автоматизации , авиасимуляторы.
Существует множество технологий для определения положения и ориентации объекта или человека в комнате, здании или в мире.
Системы времени полета определяют расстояние путем измерения времени распространения импульсных сигналов между передатчиком и приемником. Когда известны расстояния как минимум до трех местоположений, четвертое положение можно определить с помощью трилатерации . Глобальная система позиционирования является примером.
Оптические трекеры, такие как лазерные трекеры, страдают от проблем с прямой видимостью , а 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 скорость обновления из-за скорости света. [7]
Ультразвуковые трекеры имеют более ограниченный радиус действия из-за потери энергии с пройденным расстоянием. Также они чувствительны к ультразвуковому шуму окружающей среды и имеют низкую скорость 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 все же 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 инерциального зондирования заключается в том, что оно не требует внешней опорной точки. 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. Использовались два типа связей. Один из них представляет собой сборку механических частей, каждая из которых может вращаться, предоставляя пользователю возможность многократного вращения. Ориентация рычажных механизмов рассчитывается на основе различных углов рычажного механизма, измеренных с помощью инкрементальных энкодеров или потенциометров. Другие типы механических связей представляют собой провода, свернутые в бухты. Пружинная система обеспечивает натяжение тросов для точного измерения расстояния. Степени свободы, распознаваемые трекерами с механическими рычагами, зависят от строения механической структуры трекера. Хотя чаще всего предусмотрено шесть степеней свободы, обычно возможен только ограниченный диапазон движений из-за кинематики суставов и длины каждого звена. Кроме того, вес и деформация конструкции увеличиваются по мере удаления цели от эталона и накладывают ограничение на рабочий объем. [8]
Системы разности фаз измеряют сдвиг фазы входящего сигнала от излучателя на движущейся цели по сравнению с фазой входящего сигнала от эталонного излучателя. Благодаря этому можно рассчитать относительное движение излучателя относительно приемника.
Подобно системам инерциального измерения, системы разности фаз могут страдать от накопленных ошибок и, следовательно, подвержены дрейфу, но поскольку фазу можно измерять непрерывно, они способны генерировать высокие скорости передачи данных. Примером может служить Omega (система навигации) .
Системы прямого измерения поля используют известное поле для определения ориентации или положения: простой компас использует магнитное поле Земли, чтобы узнать свою ориентацию в двух направлениях. [8] Инклинометр использует гравитационное поле Земли , чтобы определить свою ориентацию в оставшемся третьем направлении. Однако поле, используемое для позиционирования, не обязательно должно возникать в природе. Система из трех электромагнитов , расположенных перпендикулярно друг другу, может определять пространственную привязку. На приемнике три датчика измеряют компоненты потока поля, получаемого вследствие магнитной связи . На основе этих мер система определяет положение и ориентацию приемника относительно эталона излучателей.
Системы оптического позиционирования основаны на оптических компонентах, например, в тахеометрах . [9]
Магнитное позиционирование — это решение IPS ( система позиционирования в помещении ), которое использует аномалии магнитного поля, типичные для внутренних помещений, используя их в качестве отличительных признаков распознавания места. Первое упоминание о позиционировании на основе магнитных аномалий можно отнести к военным применениям в 1970 году. [10] Вместо этого использование аномалий магнитного поля для позиционирования внутри помещений было впервые заявлено в статьях, посвященных робототехнике, в начале 2000 года. [11] [12] ]
Большинство последних приложений могут использовать данные магнитных датчиков со смартфона , используемые для беспроводного определения местоположения объектов или людей внутри здания. [13]
По данным Opus Research, магнитное позиционирование станет «основополагающей» технологией определения местоположения внутри помещений. [14]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 измерением абсолютного положения. Системы, сочетающие две или более технологии, называются гибридными системами позиционирования. [15]
Гибридные системы позиционирования — это системы определения местоположения мобильного устройства с использованием нескольких различных технологий позиционирования. Обычно GPS ( система глобального позиционирования ) является одним из основных компонентов таких систем в сочетании с сигналами вышек сотовой связи, сигналами беспроводного Интернета, датчиками Bluetooth , IP-адресами и данными сетевой среды. [16]
Эти системы специально разработаны для преодоления ограничений GPS, которая очень точна на открытой местности, 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 обеспечить очень точное определение местоположения в городских районах с высокой плотностью Wi-Fi и зависят от обширной базы данных точек доступа Wi-Fi.
Гибридные системы позиционирования все чаще исследуются для некоторых гражданских и коммерческих служб определения местоположения и средств массовой информации , которые должны хорошо работать в городских районах, чтобы быть коммерчески и практически жизнеспособными.
Ранние работы в этой области включают проект Place Lab, который стартовал в 2003 году и прекратил работу в 2006 году. Более поздние методы позволили смартфонам сочетать точность GPS с низким энергопотреблением при поиске точки перехода с помощью Cell-ID. [17] В 2022 году была продемонстрирована система бесспутникового позиционирования SuperGPS с более высоким разрешением, чем GPS, с использованием существующих телекоммуникационных сетей. [18] [19]