Wykład 3: Pozycjonowanie i nawigacja użytkowników mobilnych

Systemy mobilneSystemy mobilne

dr inż. Marek MikaPaństwowa Wyższa Szkoła Zawodowaim. Jana Amosa Komeńskiego w Lesznie

Wykład 3: Pozycjonowanie i nawigacja użytkowników mobilnych

Plan

• Podstawowe pojęcia• Urządzenia• Rodzaje nawigacji• Systemy zintegrowane• Nawigacja w budynkach• Uaktualnianie pozycji• Niepewność pozycji

© 2014 2dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

Plan



Pozycja geograficzna

© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 4

Zboczenie nawigacyjne


Kierunki


Wpływ pola magnetycznego• Zjawiska deklinacji i dewiacji magnetycznej mogą mieć znaczący

wpływ na pojawianie się błędów wskazań kierunku

• Deklinacja magnetyczna – kąt zawarty pomiędzy południkiem geograficznym a południkiem magnetycznym w określonym punkcie Ziemi

– różne wartości w zależności od położenia, zmienna w czasie, w cyklach i losowo

– deklinacja wschodnia (dodatnia) – odchylenie igły magnetycznej w kierunku wschodnim

– deklinacja zachodnia (ujemna) – odchylenie igły magnetycznej w kierunku zachodnim

• Dewiacja magnetyczna – odchylenie igły magnetycznej od południka magnetycznego spowodowane lokalnymi zakłóceniami (włączone urządzenie, silnik, stal kadłuba itp.)

– różne wartości dla różnych kierunków, ważne jest określenie jej dla wszystkich kursów


Zmienność deklinacji w czasie


Kurs

• Kurs – kąt zawarty pomiędzy linią

diametralną pojazdu a północą• Rodzaje kursów:

– kompasowy – kąt między diametralną a północą kompasową (wskazywaną przez kompas magnetyczny)

– magnetyczny – kąt pomiędzy diametralną a północą magnetyczną (Kurs kompasowy po uwzględnieniu deklinacji magnetycznej)

– rzeczywisty – kąt między diametralną a północą rzeczywistą (kurs kompasowy po uwzględnieniu deklinacji magnetycznej i dewiacji kompasu)


Namiar


Miary

• Miary odległości– jednostki metryczne– jednostki anglosaskie:

• stopa (30,479 cm)• yard (3 stopy; 0,9144 m)• mila morska – długość łuku odpowiadająca jednej minucie

kątowej na równiku ok. 1,852 km; 10 kabli)

• Miary prędkości– jednostki metryczne– jednostki anglosaskie

• węzeł (1NM/h)


Loksodroma

• Linia biegnąca po powierzchni kuli ziemskiej przecinająca południki geograficzne pod jednakowym kątem

• Na mapie w rzucie Merkatora jest prostą• Nadaje się do nawigacji na krótkich dystansach


Ortodroma

• Odcinek koła wielkiego zawarty pomiędzy dwoma punktami

• Najkrótsza odległość pomiędzy dwoma punktami na kuli ziemskiej

• Na mapie Merkatora jest to krzywa wybrzuszona w kierunku bliższego bieguna

• Nawigacja po ortodromie przy wykorzystaniu klasycznych technik nawigacyjnych skomplikowana i wymaga okresowej korekty kursu, w pojazdach wyposażonych w nowoczesne urządzenia nie sprawia problemu


Plan



Urządzenia wyznaczające kurs

• Kompas– ręczny– elektroniczny (magnetometr)

• kalibracja w programie• port komunikacyjny np. RS-233• protokół komunikacyjny np. NMEA-183

• Żyrokompas– wskazuje północ geograficzną, a nie

magnetyczną– zastosowanie: statki, samoloty, pociski

kierowane itp.– miniaturowe żyrokompasy w nawigacji

pojazdowej i nawigacji w budynkach– działa na zasadzie żyroskopu niepodatnego na

działanie pola magnetycznego


Urządzenia do pomiaru czasu

• Pomiar czasu (dokładny i ciągły) bardzo ważny w nawigacji zliczeniowej i astronawigacji

• Chronometry mechaniczne:– skomplikowane i drogie

• Zegary elektroniczne• Systemy synchronizowane drogą

radiową• GPS – korygowany sygnałem

satelitarnym wewnętrzny zegar kwarcowy


Urządzenia wyznaczające prędkość i przebyty dystans

• Log – przyrząd określający prędkość pojazdu lub statku względem otoczenia– ciśnieniowy (rurka Pitota) – dwie rurki równoległa i

prostopadła do kierunku ruchu, różnica ciśnień wpływa na wygięcie przepony, a ta przekładana jest na prędkość ruchu

– mechaniczny – mały wiatraczek lub śruba – prędkość obrotowa proporcjonalna do prędkości pojazdu

– dopplerowski – pomiar prędkości na podstawie pomiaru zmiany częstotliwości emitowanej fali ultradźwiękowej po odbiciu od nawierzchni, dna itp.

– magnetyczny – kontaktron w korpusie pojazdu, na kole magnes, zliczanie liczby wzbudzeń czujnika kontaktronowego

• Odometr – zlicza przebyty dystans


Plan



Nawigacja inercjalna

• Zasada pozycjonowania bezwładnościowego:– pomiar przyspieszeń w dwóch lub trzech kierunkach względem punktu

początkowego– obliczenie przemieszczenia:

• określenie prędkości – całki z przyspieszeń• określenie przemieszczeń – całki z prędkości

– wyznaczenie bieżącego położenia na podstawie punktu początkowego i przemieszczeń

• Układ przyspieszeniomierzy musi być stabilizowany układem żyroskopów (liczba równa liczbie kierunków)

• Należy określić wartości początkowe:– położenie– kąty poziome i pionowe– prędkość

• Urządzenia (akceleratory, INS, GPS)• Ograniczenia i błędy


Systemy GPS/INS

• Wskazania INS muszą być od czasu do czasu korygowane lub kalibrowane ze względu na pojawiające się błędy

• GPS daje lepsze wskazania niż INS, ale działa wolniej (nie nadaje się do szybkich pojazdów) i nie działa, gdy nie jest w zasięgu satelitów

• Połączenie obydwu systemów, INS działa w sposób ciągły, a GPS okresowo go kalibruje


Pozycjonowanie w sieciach GSM


Pozycjonowanie w sieciach GSM


• Metoda pseudoodległościowa:– w oparciu o infrastrukturę

– potrzebne trzy lub więcej pseudoodległości od stacji bazowych

– aplikacja w telefonie

• Telefon wyposażony w nadajnik GPS

Nawigacja zliczeniowa

• Nową pozycję zliczoną wyznacza się w oparciu o przesunięcie w stosunku do poprzedniej pozycji uwzględniając kurs (kompas), prędkość (log), czas (zegar).

• Błędy pomiaru kursu, prędkości i czasu oraz wpływ wiatru (dryf) i prądu (znos) sprawiają, że metoda jest mało dokładna

• Nieco precyzyjniejsze rozwiązania – odbiorniki korzystające z żyrokompasu i logu

• Wyparta przez systemy radionawigacji i nawigacji satelitarnej GPS


Pozycja obserwowana (1)

• Pozycja określana w oparciu o co najmniej dwie linie namiarowe

• Precyzyjna – opiera się na co najmniej dwóch liniach namiarowych na obiekty o znanym położeniu

• Rodzaje nawigacji korzystające z pozycji obserwowanej:


– nawigacja terrestryczna – pozycja wyznaczana w oparciu obiekty brzegowe

– astronawigacja – pozycja wyznaczana w oparciu o położenie ciał astralnych

– nawigacja elektroniczna – pozycja wyznaczana w oparciu o położenie radiolatarni lub innych elektronicznych obiektów nawigacyjnych

– nawigacja satelitarna – pozycja wyznaczana w oparciu o położenie satelitów nawigacyjnych

Pozycja obserwowana (2)

• Inny sposób wyznaczania pozycji obserwowanej polega na wyznaczeniu namiaru i odległości do obiektu o znanym położeniu (obiekt brzegowy, jednostka pływająca)

• Urządzenia:– namiar – radar lub namiernik burtowy

– odległość – lornetka, stadimetr, radar


Plan



Systemy zintegrowane

• System nawigacyjny będący połączeniem kilku urządzeń pozycjonujących

• Urządzenia:– odbiornik GPS

– kompas elektroniczny

– urządzenia odometryczne

– prędkościomierze

– układy inercyjne

• Zalety:– kilka źródeł

– obróbka cyfrowa

– większa dokładność wyznaczonej pozycji

– usunięcie nieciągłości pozycji

– większa niezawodność


Plan



Nawigacja w budynkach (1)

• System GPS w budynkach zawodzi – brak dostępu do satelitów Navstar

• Sama technika pozycjonowania stosowana w systemach GPS możliwa do zastosowania w budynkach, lecz potrzebne urządzenia zastępujące satelity

• Sztuczne satelity stosowane wewnątrz budynków to tzw. pseudolity

• Pozycja użytkownika sieci Wi-Fi lub BT wyznaczana na podstawie SSID sieci tzw. CELL-ID

• Systemy radiowe – stacja bazowa wysyła równocześnie dwa sygnały radiowy i ultradźwiękowy. Mobilne urządzenie użytkownika odbiera w pierwszej kolejności sygnał radiowy, a następnie ultradźwiękowy. Odstęp czasu pomiędzy tymi sygnałami oraz prędkość dźwięku w powietrzu służą do wyznaczenia odległości od stacji bazowej. Odległości od kilku stacji bazowych umożliwiają określenie pozycji


Nawigacja w budynkach (2)

• Maty, listwy i zderzaki naciskowe wykrywają obecność użytkownika po nastąpieniu, przyciśnięciu lub najechaniu na matę (listwę, zderzak))


• Bariery podczerwone – wykrywane jest przekroczenie bariery

• Czujki ruchu / czujki obecności

Nawigacja w budynkach (3)• Landmark navigation – użytkownik lub

robot wyposażony jest w kamerę (np. w smartfonie) i w znanych lokalizacjach poszukuje określonych znaków. Po znalezieniu i identyfikacji znaku wyznaczany jest namiar na ten znak. Na jego podstawie wyznaczana jest pozycja i ewentualna korekcja ścieżki ruchu użytkownika (robota)

• Możliwość wykorzystania technik rzeczywistości rozszerzonej


Plan



Uaktualnianie wiedzy o pozycji

• Wiedza o własnym położeniu ma bardzo często charakter lokalny i użytkownik musi poinformować system lub innych użytkowników o swojej pozycji

• Informowanie o pozycji odbywa się w sposób okresowy (łącza bezprzewodowe)

• Pozycja pomiędzy kolejnymi komunikatami trudna do określenia• Jak często wysyłać komunikaty i jak określić niepewną pozycję

pomiędzy komunikatami?• Im dłuższe przerwy tym większy obszar, na jakim może znajdować

się nowa pozycja• Zmienia się również geometria tego obszaru.


Strategie uaktualniania informacji pozycyjnej

• Strategia „inform” – użytkownik okresowo zgłasza swoje położenie (po upływie określonego czasu, po przebyciu określonego odcinka drogi, przy zmianie strefy, przy zmianie komórki)

• Strategia „search” – użytkownik nie zgłasza swojego położenia i jest poszukiwany przez system dopiero przed wysłaniem komunikatu

• Strategie mieszane – powiązanie strategii „search” i „inform” stosowane m.in. w sieciach GSM


Plan



Pozycje niepewne na morzu

• Metoda okręgu – znając położenie początkowe, prędkość i czas jaki upłynął można wyznaczyć promień okręgu o środku w punkcie wyznaczonym przez pozycję początkową– problemu w rejonach przybrzeżnych,

cieśninach, płyciznach

• Metoda wycinania wielokątów – z okręgu wycinane są wielokąty odpowiadające lądom, nie jest uwzględniana trasa jaką może przebyć okręt (statek)


Pozycje niepewne w miejskiej sieci dróg

• Metoda okręgu – nie nadaje się, ponieważ użytkownicy korzystają wyłącznie z dróg

• Wiele dodatkowych ograniczeń– drogi jednokierunkowe– zakazy skrętu i zawracania– przejazdy o określonej wysokości– ograniczenia masy pojazdu– itp.

• Zastosowania:– automatyczne wyznaczanie miejsc blokad

w przypadku pościgu– automatyczne przypisywanie pojazdów do

zadań– automatyczne kierowanie pojazdów w

akcjach ratowniczych


Dziękuję za uwagę!


Documents

Wykład 3: Pozycjonowanie i nawigacja użytkowników mobilnych