wykład 3: pozycjonowanie i nawigacja użytkowników mobilnych
DESCRIPTION
Wykład 3: Pozycjonowanie i nawigacja użytkowników mobilnych. Plan. Podstawowe pojęcia Urządzenia Rodzaje nawigacji Systemy zintegrowane Nawigacja w budynkach Uaktualnianie pozycji Niepewność pozycji. Plan. Podstawowe pojęcia Urządzenia Rodzaje nawigacji Systemy zintegrowane - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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
• Podstawowe pojęcia• Urządzenia• Rodzaje nawigacji• Systemy zintegrowane• Nawigacja w budynkach• Uaktualnianie pozycji• Niepewność pozycji
© 2014 3dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
Pozycja geograficzna
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 4
Zboczenie nawigacyjne
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 5
Kierunki
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 6
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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 7
Zmienność deklinacji w czasie
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 8
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)
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 9
Namiar
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 10
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)
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 11
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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 12
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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 13
Plan
• Podstawowe pojęcia• Urządzenia• Rodzaje nawigacji• Systemy zintegrowane• Nawigacja w budynkach• Uaktualnianie pozycji• Niepewność pozycji
© 2014 14dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 15
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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 16
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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 17
Plan
• Podstawowe pojęcia• Urządzenia• Rodzaje nawigacji• Systemy zintegrowane• Nawigacja w budynkach• Uaktualnianie pozycji• Niepewność pozycji
© 2014 18dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 19
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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 20
Pozycjonowanie w sieciach GSM
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 21
Pozycjonowanie w sieciach GSM
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 22
• 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 23
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:
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 24
– 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 25
Plan
• Podstawowe pojęcia• Urządzenia• Rodzaje nawigacji• Systemy zintegrowane• Nawigacja w budynkach• Uaktualnianie pozycji• Niepewność pozycji
© 2014 26dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 27
Plan
• Podstawowe pojęcia• Urządzenia• Rodzaje nawigacji• Systemy zintegrowane• Nawigacja w budynkach• Uaktualnianie pozycji• Niepewność pozycji
© 2014 28dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 29
Nawigacja w budynkach (2)
• Maty, listwy i zderzaki naciskowe wykrywają obecność użytkownika po nastąpieniu, przyciśnięciu lub najechaniu na matę (listwę, zderzak))
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 30
• 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 31
Plan
• Podstawowe pojęcia• Urządzenia• Rodzaje nawigacji• Systemy zintegrowane• Nawigacja w budynkach• Uaktualnianie pozycji• Niepewność pozycji
© 2014 32dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
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.
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 33
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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 34
Plan
• Podstawowe pojęcia• Urządzenia• Rodzaje nawigacji• Systemy zintegrowane• Nawigacja w budynkach• Uaktualnianie pozycji• Niepewność pozycji
© 2014 35dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
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)
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 36
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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 37
Dziękuję za uwagę!
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 38