Система позиционирования — это система определения положения объекта в пространстве . [1] Существуют технологии систем позиционирования, варьирующиеся от межпланетного покрытия с точностью до метра до покрытия рабочего пространства и лаборатории с точностью до миллиметра. Основной подкласс составляют системы геопозиционирования , используемые для определения положения объекта относительно Земли, т. е. его географического положения ; одной из наиболее известных и часто используемых систем геопозиционирования является Глобальная система позиционирования (GPS) и аналогичные глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS).
Системы межпланетной радиосвязи не только взаимодействуют с космическими аппаратами, но и используются для определения их местоположения. Радар может отслеживать цели вблизи Земли, но космические аппараты в глубоком космосе должны иметь на борту работающий транспондер , чтобы передавать обратно радиосигнал. Информацию об ориентации можно получить с помощью звездных трекеров .
Глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS) позволяют специализированным радиоприемникам определять свое трехмерное положение в пространстве, а также время с точностью 2–20 метров или десятков наносекунд. В настоящее время развернутые системы используют микроволновые сигналы, которые можно надежно принимать только на открытом воздухе и которые покрывают большую часть поверхности Земли, а также околоземное пространство.
Существующие и планируемые системы:
Сети наземных передатчиков позиционирования позволяют специализированным радиоприемникам определять свое 2-D положение на поверхности Земли. Они, как правило, менее точны, чем GNSS, поскольку их сигналы не полностью ограничены распространением по линии прямой видимости , и имеют только региональное покрытие. Тем не менее, они остаются полезными для специальных целей и в качестве резерва, где их сигналы принимаются более надежно, в том числе под землей и в помещениях, и приемники могут быть построены с очень низким потреблением энергии батареи. LORAN является примером такой системы.
Локальная система позиционирования ( LPS ) — это навигационная система, которая предоставляет информацию о местоположении в любую погоду, в любой точке покрытия сети, где есть беспрепятственная прямая видимость до трех или более сигнальных маяков , точное местоположение 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 маяки, которые имеют ограниченный радиус действия, поэтому требуют, чтобы пользователь находился рядом с ними. Маяки включают в себя базовые станции сотовой связи , точки доступа Wi-Fi и LiFi , а также радиовышки .
В прошлом дальнобойные LPS использовались для навигации кораблей и самолетов. Примерами являются Decca Navigator System и LORAN . В настоящее время локальные системы позиционирования часто используются в качестве дополнительной (а в некоторых случаях и альтернативной) технологии позиционирования к GPS, особенно в областях, где GPS не достигает или слаб, например, внутри зданий или городских каньонов . Локальное позиционирование с использованием 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 сотовой вышки будет достаточной. Они также используются в безрельсовых аттракционах, таких как Pooh's Hunny Hunt и Mystic Manor .
Примеры существующих систем включают:
Системы позиционирования в помещении оптимизированы для использования в отдельных помещениях, зданиях или на строительных площадках. Обычно они обеспечивают точность до сантиметра. Некоторые предоставляют информацию о местоположении и ориентации в формате 6-D .
Примеры существующих систем включают:
Они предназначены для покрытия только ограниченного рабочего пространства, обычно нескольких кубических метров, но могут обеспечить точность в миллиметровом диапазоне или лучше. Обычно они обеспечивают 6-мерное положение и ориентацию. Примерами приложений являются среды виртуальной реальности , инструменты выравнивания для компьютерной хирургии или радиологии, а также кинематография ( захват движения , сопоставление движений ).
Примеры: Wii Remote с сенсорной планкой, Polhemus Tracker, Precision Motion Tracking Solutions InterSense. [6]
Высокопроизводительная система позиционирования используется в производственных процессах для плавного и точного перемещения объекта (инструмента или детали) в шести степенях свободы по желаемой траектории, в желаемой ориентации, с высоким ускорением , высоким замедлением , высокой скоростью и малым временем стабилизации . Она предназначена для быстрой остановки движения и точного размещения движущегося объекта в желаемом конечном положении и ориентации с минимальным дрожанием.
Примеры: высокоскоростные станки , лазерное сканирование , сварка проводов , проверка печатных плат , лабораторная автоматизация , летные тренажеры.
Существует множество технологий для определения положения и ориентации объекта или человека в помещении, здании или в окружающем мире.
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 трекеры, страдают от проблем прямой видимости , а их производительность неблагоприятно зависит от окружающего света и инфракрасного излучения. 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 фоновому 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 подвержены влиянию внешней засветки, но им все равно необходима прямая видимость.
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.
Главное преимущество инерциального зондирования заключается в том, что оно не требует внешнего эталона. Вместо этого оно измеряет вращение с помощью гироскопа или положение с помощью акселерометра относительно известного начального положения и ориентации. Поскольку эти системы измеряют относительные положения вместо абсолютных, они могут страдать от накопленных ошибок и, следовательно, подвержены дрейфу. Периодическая повторная калибровка системы обеспечит большую точность.
Этот тип системы отслеживания использует механические связи между эталоном и целью. Используются два типа связей. Одна представляет собой сборку механических частей, каждая из которых может вращаться, предоставляя пользователю возможности множественного вращения. Ориентация связей вычисляется на основе различных углов связи, измеренных с помощью инкрементных энкодеров или потенциометров. Другие типы механических связей представляют собой провода, свернутые в катушки. Пружинная система обеспечивает натяжение проводов для точного измерения расстояния. Степени свободы, определяемые механическими трекерами связи, зависят от состава механической структуры трекера. Хотя чаще всего предоставляется шесть степеней свободы, как правило, возможен только ограниченный диапазон движений из-за кинематики суставов и длины каждого звена. Кроме того, вес и деформация структуры увеличиваются с расстоянием 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 опорного излучателя. С помощью этого можно рассчитать относительное движение излучателя по отношению к приемнику.
Как и инерциальные системы измерения, системы с разностью фаз могут страдать от накопленных ошибок и, следовательно, подвержены дрейфу, но поскольку фазу можно измерять непрерывно, они способны генерировать высокие скорости передачи данных. Примером является Omega (навигационная система) .
Системы прямого измерения поля используют известное поле для определения ориентации или положения: простой компас использует магнитное поле Земли для определения своей ориентации в двух направлениях. [8] Инклинометр использует гравитационное поле Земли для определения своей ориентации в оставшемся третьем направлении. Однако поле, используемое для определения положения , не обязательно должно иметь природное происхождение. 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 измерений система определяет положение и ориентацию приемника относительно привязки излучателей.
Оптические системы позиционирования основаны на оптических компонентах, таких как тахеометры . [9]
Магнитное позиционирование — это решение IPS ( система позиционирования в помещении ), которое использует аномалии магнитного поля, типичные для помещений, используя их в качестве отличительных признаков распознавания места. Первое упоминание о позиционировании на основе магнитной аномалии можно отнести к военным приложениям в 1970 году. [10] Использование аномалий магнитного поля для позиционирования в помещении было впервые заявлено в работах, связанных с робототехникой, в начале 2000 года. [11] [12]
Самые последние приложения могут использовать данные магнитного датчика со смартфона для беспроводного определения местоположения объектов или людей внутри здания. [13]
По данным Opus Research, магнитное позиционирование станет «основополагающей» технологией определения местоположения в помещениях. [14]Поскольку каждая технология имеет свои плюсы и минусы, большинство систем используют более одной технологии. Система, основанная на относительных изменениях положения, например, инерциальная система, нуждается в периодической калибровке по отношению к системе с абсолютным измерением положения. Системы, объединяющие две или более технологий, называются гибридными системами позиционирования. [15]
Гибридные системы позиционирования — это системы для определения местоположения мобильного устройства с использованием нескольких различных технологий позиционирования. Обычно GPS ( глобальная система 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, который очень точен на открытой местности, но плохо работает в помещениях или между высокими зданиями ( эффект городского каньона ). Для сравнения, сигналы вышек сотовой связи не блокируются зданиями или плохой погодой, но обычно обеспечивают менее точное позиционирование. Системы позиционирования Wi-Fi могут давать 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 чаще изучаются для определенных гражданских и коммерческих служб определения местоположения и локационных медиа , 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 свою деятельность в 2006 году. Более поздние методы позволяют смартфонам сочетать точность GPS с низким энергопотреблением при поиске точек перехода Cell-ID. [17] В 2022 году была продемонстрирована система позиционирования SuperGPS без использования спутников с более высоким разрешением, чем GPS, с использованием существующих телекоммуникационных сетей. [18] [19]