Pozycjonowanie i nawigacja użytkowników mobilnych, Prezentacje z Nawigacja

Pobierz Pozycjonowanie i nawigacja użytkowników mobilnych i więcej Prezentacje w PDF z Nawigacja tylko na Docsity!

Pozycjonowanie i nawigacja u
ytkowników mobilnych

Wykład prowadzi: Mikołaj Sobczak

Pozycjonowanie i nawigacja u
ytkowników mobilnych(2)

Pozycja geograficzna

• szeroko geograficzna

• długo geograficzna

• zboczenie nawigacyjne

 – ró
nica szerokoci

geograficznych

 - szeroko

geograficzna

a=
*cos

Szeroko geograficzna jest to kt rodkowy zawarty midzy płaszczyzn równika a prost łczc rodek Ziemi z punktem na którym stoi u
ytkownik. Szeroko północna oznaczona jest symbolem N (North) albo znakiem (+), natomiast szeroko południowa oznaczona jest symbolem S (South) albo znakiem (-). Szeroko geograficzna równika wynosi 0 stopni, a bieguna 90.

Długo geograficzna jest to kt dwucienny zawarty midzy płaszczyzn południka zerowego a płaszczyzn południka, na którym znajduje si u
ytkownik. Długo zachodnia oznaczona jest symbolem W (West) albo znakiem (-), natomiast długo wschodnia oznaczona jest symbolem E (East) albo znakiem (+). Długo geograficzna równika wynosi 0 stopni a bieguna 90.

Przez zboczenie nawigacyjne okrela si długo łuku równole
nika na danej szerokoci geograficznej zawarta midzy okrelonymi dwoma punktami. Jest wyra
ona w milach morskich. Zboczenie nawigacyjne jest kluczowe w procesie wyliczenia długoci odcinka midzy dwoma punktami o znanych współrzdnych geograficznych, uzyskanych chocia
by z odbiornika GPS.

Pozycjonowanie i nawigacja u
ytkowników mobilnych(4)

Wpływ pola magnetycznego

• Deklinacja magnetyczna

– Dodatnia

– Ujemna

• Dewiacja

– Przyczyny powstania

– Ró
ne wartoci

Na działanie, stosowanych w systemach mobilnych, magnetycznych urzdze wskazujcych kurs du
y wpływ maj zjawiska dewiacji i deklinacji magnetycznej. Mog one czasem powodowa znaczne błdy wskaza tych urzdze.

Deklinacja to kt zawarty pomidzy południkiem geograficznym, a południkiem magnetycznym w okrelonym punkcie Ziemi. Deklinacja ró
ni si wielkoci w ró
nych punktach Ziemi i jest zmienna w czasie, w ró
nych cyklach jak i losowo.

Deklinacja wschodnia wystpuje wtedy, gdy ostrze igły magnetycznej, zwrócone ku północy, odchyla si od południka geograficznego w prawo, na wschód. Oznaczona jest liter (E) i znakiem (+). Deklinacja zachodnia wystpuje wtedy, gdy ostrze igły magnetycznej, zwrócone ku północy, odchyla si od południka geograficznego w lewo, na zachód. Oznaczona jest liter (W) i znakiem (-).

Dewiacja jest to odchylenie igły magnetycznej od południka magnetycznego, spowodowane lokalnymi zakłóceniami (włczonym urzdzeniem, silnikiem itp.). Dla kompasu umieszczonego w poje dzie bd na jednostce pływajcej wa
ne jest okrelenie dewiacji dla wszystkich kursów, gdy
ma ona inn warto dla ka
dego kierunku.

Pozycjonowanie i nawigacja u
ytkowników mobilnych(5)

Kurs a namiar

• Kurs

• Namiar

Kt kursowy

(stabilizacja

armaty czołgu)

Kurs jest to kt zawarty midzy diametraln pojazdu (statku) a północ. W zale
noci od wybranego kierunku północnego rozró
niamy:

•Kurs kompasowy – kt pomidzy diametraln a północ kompasow (wskazywan przez kompas)

•Kurs magnetyczny – kt pomidzy diametraln a północ magnetyczn (wskazywan przez kompas i po uwzgldnieniu dewiacji)

•Kurs rzeczywisty – kt pomidzy diametraln a północ rzeczywist (wskazywan przez kompas i uwzgldnieniu dewiacji i deklinacji)

Namiar rzeczywisty jest to kt zawarty pomidzy lini pojazd-obiekt a północ geograficzn (rzeczywist).

W praktyce jednak, na urzdzenie pomiarowe (kompas) maj wpływ deklinacja i dewiacja magnetyczna, std wprowadza si pojcie namiaru kompasowego. Namiar kompasowy jest kt pomidzy lini pojazd-obiekt a północ wskazywan przez kompas Stosowanie
yrokompasów, obarczonych stałym znanym błdem, wprowadza pojcie namiaru i kursu
yrokompasowego, niepodatnego na wpływ deklinacji i dewiacji magnetycznych.

Przez kt kursowy okrelamy kt zawarty midzy lini namiaru i kursu.

Pozycjonowanie i nawigacja u
ytkowników mobilnych(7)

Ortodroma vs. loksodroma

Loksodroma jest lini na powierzchni kuli Ziemi przecinajc wszystkie południki pod tym samym ktem. Natomiast ortodroma jest najkrótsza droga pomidzy dwoma punktami na powierzchni Ziemi

Na mapie w rzucie Merkatora ortodroma jest krzyw wygit w kierunku znajdujcego si bli
ej bieguna ziemskiego, natomiast loksodroma jest lini prost, która przecina wszystkie południki pod tym samym ktem.

Nawigacja loksodromiczna jest powszechnie stosowana na krótkich dystansach, ze wzgldu na jej prostot (wyznaczenie i utrzymanie stałego kursu). Loksodroma nie jest jednak lini najkrótsz przy dłu
szych podró
ach, std potrzeba stosowania nawigacji ortodromicznej. Trudno polega na tym,
e wyznaczenie ortodromy na mapach jest zwizane z szeregiem skomplikowanych oblicze a pilotowi samolotu lub nawigatorom na statkach przysparza obowizku okresowej korekty kursu.

Std lecc z Londynu do Seattle nie polecimy na zachód, co wydawałoby si naturalne, lecz na północ nad Szkocj, Orkadami, Islandi, Drog Du sk, Zatok Hudsona i od północy dolecimy do Seattle.

Pozycjonowanie i nawigacja u
ytkowników mobilnych(8)

Urzdzenia wyznaczajce kurs

• kompas

•
yrokompas

Wród urzdze wyznaczajcych kierunek poruszania si u
ytkownika mobilnego podstawowym z nich jest kompas. Jest to przyrzd nawigacyjny, który, korzystajc z faktu ustawiania si magnesu wzdłu
linii pola magnetycznego, wyznacza kierunek ruchu. Obecnie nie stosuje si oczywicie rcznych kompasów z igł wskazujc u
ytkownikowi kierunek, lecz urzdzenia elektroniczne, które kalibruje si programowo a u
ytkownik jest informowany o bie
cym kursie poprzez komunikaty pojawiajce si na wyjciu okrelonego portu komunikacyjnego. Najczciej jest to port szeregowy RS-232, a stosowanym protokołem komunikacyjnym jest NMEA-183.

yrokompas wskazuje kierunek północy geograficznej, u
ywany jest czsto zamiast kompasu magnetycznego. Stosuje si je na pokładach statków, samolotów jak i w pociskach kierowanych. Miniaturowe
yrokompasy znajduj zastosowanie w systemach nawigacji pojazdowej i do nawigacji ludzi w budynkach. W
yrokompasie wykorzystano zasad stałego poło
enia w przestrzeni osi obrotu bka wirujcego z du
 prdkoci. Jest niepodatny na wpływ pola magnetycznego, a jego stały błd jest łatwy do skorygowania.

Pozycjonowanie i nawigacja u
ytkowników mobilnych(10)

Urzdzenia wyznaczajce prdko i przebyt drog

•log

• cinieniowy

• mechaniczny

• dopplerowski

• magnetyczny

• odometr

Log jest to przyrzd okrelajcy prdko pojazdu lub statku wzgldem otoczenia.

Stosowane s midzy innymi nastpujce rodzaje logów:

• cinieniowy - działa w oparciu o ró
  nic cinienia dynamicznego w skierowanej równolegle do ruchu rurce i drugiej, umieszczonej prostopadle do kierunku ruchu. Wielko wygicia przepony przez ró
  nic cinie słu
  y do wyznaczenia prdkoci ruchu.
• mechaniczny – mały wiatraczek lub ruba (w wodzie) obracajca si z prdkoci proporcjonaln do prdkoci otaczajcego czujnik orodka.

•dopplerowski – mierzy prdko obiektu na podstawie pomiaru zmiany czstotliwoci emitowanej fali ultrad wikowej po odbiciu jej od dna bd nawierzchni jezdni.

• magnetyczny – mierzcy prdko i przebyt drog na podstawie liczby wzbudze czujnika kontraktonowego przez wirujcy na kole magnes

Odometr zlicza przebyt drog, nie pozwala zwykle jednak na głbsze analizy dotyczce np. prdkoci na poszczególnych odcinkach, lecz na pomiar i globalny odczyt pokonanej trasy.

Pozycjonowanie i nawigacja u
ytkowników mobilnych(11)

Nawigacja inercyjna

• Zasada pozycjonowania bezwładnociowego

• Stosowane urzdzenia

• Ograniczenia i błdy

Nawigacja bezwładnociowa opiera si na pomiarze przyspiesze w dwóch lub trzech kierunkach (w zale
noci od potrzeb) a nastpnie na wyznaczeniu przemieszcze w tych kierunkach wzgldem punktu pocztkowego. Przemieszczenie obliczane jest w nastpujcy sposób:

-poprzez całkowanie przyspiesze wyznaczane s prdkoci w poszczególnych kierunkach

-poprzez całkowanie prdkoci wyznaczane s przemieszczenia w poszczególnych kierunkach

Znajc te przemieszczenia, oraz punkt startowy, wyznacza si bie
c lokalizacj.

Kiedy układ współrzdnych zwizany jest z Ziemi, układ przyspieszeniomierzy jest stabilizowany przez układ
yroskopów w liczbie zale
nej od liczby osi, w której dokonuje si pomiar.

System nawigacji bezwładnociowej wymaga wprowadzenia wartoci pocztkowych:

-poło
enie pocztkowego

-któw poziomych i elewacji

-prdkoci pocztkowej (jeli jest ró
na od 0)

Pozycjonowanie i nawigacja u
ytkowników mobilnych(13)

Pozycjonowanie w sieciach GSM

• Metoda pseudodległoiowa

– w oparciu o infrastruktur

– w oparciu o aplikacj

w telefonie

• Połczenie telefonu z GPS

Inn znan metod, działajc w oparciu o infrastruktur sieci komórkowej, jest okrelanie pozycji terminala na podstawie trzech lub wicej pseudodległósci od stacji bazowych.

Usługi lokalizacyjne wiadczone s komercyjnie i oferowane zwykłym klientom sieci GSM. Mog by równie
oferowane firmom, chccym ledzi wybran grup terminali. Wszyscy operatorzy s równie
ustawowo zobowizani do przekazywania danych o lokalizacji terminala Policji i innym słu
bom.

Pozycjonowanie i nawigacja u
ytkowników mobilnych(14)

Pozycja zliczona

• Zasada wyznaczania pozycji zliczonej

• Błdy pomiaru

• Błd okrelania pozycji

• Potrzeba wyznaczenia

pozycji obserwowanej

Pozycja zliczona - now pozycj okrelamy w oparciu o przesunicie w stosunku do poprzedniej pozycji uwzgldniajc kurs, prdko, czas. Do wyznaczenia podstawowych parametrów ruchu u
ywane s urzdzenia wskazujce kurs (kompas), prdko (log) i czas (zegar).

Błdy pomiaru kursu, prdkoci, czasu powoduj du
 niedokładno obliczonej pozycji. Błd ten ronie z czasem, niezale
nie od tego czy nastpuj zmiany kursu czy te
jest on stały.

Dobrym przykładem na nawigacj zliczeniow jest scena z filmu „Polowanie na Czerwony Pa dziernik”, kiedy okrt przechodził przez „Czerwony korytarz numer 1”, prowadzony w oparciu o dane o prdkoci, kursie i czasie wprawn rk nawigatora Kamarowa.

Wskutek rosncych z czasem błdów w wyznaczeniu pozycji pojawia si potrzeba wyznaczenia pozycji obserwowanej.

Pozycjonowanie i nawigacja u
ytkowników mobilnych(16)

Pozycja obserwowana

Namiar i odległo

• Obiekty brzegowe

• Pływajce

– wzrok, radar)

Poza dwoma (lub trzema namiarami) mo
liwe jest wyznaczenie pozycji w oparciu o namiar na znany obiekt i zmierzon do niego odległo. Mo
e by on wykonany na obiekt brzegowy jak i na jednostk pływajc. Do wyznaczenia namiaru u
ywa si radaru bd namiernika burtowego, do wyznaczenia odległoci lornetki, stadimetru bd radaru.

Pozycjonowanie i nawigacja u
ytkowników mobilnych(17)

Pozycja obserwowana

Kilka odległoci:

• systemy hiperboliczne (Loran C, Decca)

• system GSM (komórka lub dokładniej)

• systemy satelitarne (GPS, GLONASS)

Systemy hiperboliczne oparte s o izochrony, czyli linie bdce zbiorami punktów o stałej ró
nicy odległoci od dwóch radiolatarni, tworzcych hiperbole. Do prowadzenia nawigacji słu
 specjalne mapy z zaznaczonymi rodzinami hiperbol dla ka
dej pary radiolatarni. Obiekt ruchomy okrela swoj pozycj na przeciciu dwóch hiperbol pozycyjnych, wyznaczonych w oparciu o sygnały z dwóch par radiolatarni.

Systemy hiperboliczne były przez długie lata w powszechnym u
yciu. Przykładami s Loran i Decca. Odbiorniki systemu Decca (fazometry) typu PIRS 1 i PIRS 2 były jeszcze kilka lat temu stosowane na polskich okrtach wojennych. Ich dokładno wynosiła około 200 m.

Obecnie systemy hiperboliczne s wypierane przez systemy inercyjne i satelitarne.

Pozycjonowanie i nawigacja u
ytkowników mobilnych(19)

Systemy zintegrowane

• usunicie niecigłoci pozycji z systemów pozycji

obserwowanej

• wiksza niezawodno

systemu

Dane z tych urzdze s najczciej przetwarzane przez zło
one algorytmy, w tym sieci neuronowe.

Stosowanie systemów zintegrowanych niesie ze sob wymierne korzyci. Pierwsz z nich jest usunicie niecigłoci pozycji z systemów pozycji obserwowanej. Zwizane jest to z brakiem pokrycia sygnałem GPS pomidzy wysokimi budynkami, w tunelach i parkingach podziemnych. Układy zliczeniowe pozycjonuj pojazd a
do momentu ponownego uzyskania sygnału z minimalnej, wymaganej liczby satelitów Navstar.

Wa
ny jest równie
aspekt niezawodnoci, kiedy jedne komponenty systemu w razie awarii innych przejmuj wyznaczanie pozycji.

Pozycjonowanie i nawigacja u
ytkowników mobilnych(20)

Nawigacja w budynkach

• nie GPS! (tylko pseudolity)

• Wi-Fi /BT

• RF/ultrad wikowe

•GPS nie jest systemem, któr stosuje si wewntrz budynków z powodu braku dostpu do sygnału z satelitów Navstar. Mo
na jednak stosowa technik GPS wykorzystujc sztuczne satelity, czyli pseudolity.

•Wi-Fi/BT – pozycja u
ytkownika (CELL ID) jest wyznaczana na podstawie identyfikatora sieci pracujcej w danym pomieszczeniu (np. SSID sieci Wi-fi)

•RF/ Ultrad wikowe –stacja bazowa wysyła jednoczenie sygnał radiowy i ultrad wikowy. Mobilne urzdzenie u
ytkownika po odbieraniu sygnału RF zaczyna odlicza czas do nadejcia impulsu ultrad wikowego. Na podstawie tego czasu i prdkoci d wiku w powietrzu wyliczana jest odległo do stacji bazowej. Na podstawie kilku odległoci do ró
nych stacji wyznaczana jest pozycja u
ytkownika.