Wykład 3: Pozycjonowanie i nawigacja użytkowników mobilnych

1. Wykład 3: Pozycjonowanie i nawigacja użytkowników mobilnych

2. 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

3. 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

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

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

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

7. 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

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

9. 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

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

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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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

20. 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

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

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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

26. 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

27. 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

28. 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

29. 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

30. Nawigacja w budynkach (2) • Bariery podczerwone – wykrywane jest przekroczenie bariery • Maty, listwy i zderzaki naciskowe wykrywają obecność użytkownika po nastąpieniu, przyciśnięciu lub najechaniu na matę (listwę, zderzak)) • Czujki ruchu / czujki obecności dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

31. 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

32. 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

33. 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

34. 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

35. 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

36. 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

37. 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

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