Wykład 3: Pozycjonowanie i nawigacja użytkowników mobilnych

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

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

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

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

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

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

Zmienność deklinacji w czasie dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014

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

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

dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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 anglosaskie węzeł (1NM/h) dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Pozycjonowanie w sieciach GSM   dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie Dziękuję za uwagę! dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014