Positionierungssystem - Positioning system

Ein Positionierungssystem ist ein Mechanismus zum Bestimmen der Position eines Objekts im Raum . Es gibt Technologien für diese Aufgabe, die von der weltweiten Abdeckung mit Metergenauigkeit bis zur Abdeckung des Arbeitsbereichs mit Submillimetergenauigkeit reichen.

Hintergrund

In Navigation , Lagefixierung bzw. Positionierung ist die Bestimmung der Position eines Fahrzeugs oder einer Person auf der Oberfläche der Erde . Die Positionsbestimmung verwendet verschiedene visuelle und elektronische Methoden, darunter:

Positionen können als Lager und reicht von einem bekannten Orientierungspunkt oder als ein exprimiertes werden Winkel von Breitengrad und Längengrad relativ zu einem Kartendatum .

Im Allgemeinen wird eine Positionsfixierung berechnet, indem Messungen (als Beobachtungen bezeichnet) von Abständen oder Winkeln zu Referenzpunkten berücksichtigt werden, deren Positionen bekannt sind. Bei 2D-Vermessungen reichen Beobachtungen von drei Referenzpunkten aus, um eine Position in einer zweidimensionalen Ebene zu berechnen . In der Praxis unterliegen Beobachtungen Fehlern, die sich aus verschiedenen physikalischen und atmosphärischen Faktoren ergeben, die die Messung von Entfernungen und Winkeln beeinflussen.

Ein praktisches Beispiel für eine Positionsbestimmung wäre, dass ein Schiff Peilungsmessungen an drei Leuchttürmen entlang der Küste durchführt. Diese Messungen könnten visuell unter Verwendung eines Handpeilkompasses oder bei schlechter Sicht elektronisch unter Verwendung von Radar- oder Funkpeilung durchgeführt werden . Da alle physischen Beobachtungen fehlerbehaftet sind, ist auch die resultierende Positionsbestimmung fehlerbehaftet. Obwohl theoretisch zwei Positionslinien (LOP) ausreichen, um einen Punkt zu definieren, bietet das „Überqueren“ von mehr LOPs in der Praxis eine größere Genauigkeit und Sicherheit, insbesondere wenn sich die Linien in einem guten Winkel zueinander kreuzen. Drei LOPs werden als Minimum für eine praktische Navigationskorrektur angesehen. Die drei LOPs bilden im Allgemeinen ein Dreieck, das als "gespannter Hut" bezeichnet wird. Der Navigator hat mehr Vertrauen in eine Positionsbestimmung, die von einem kleinen gespannten Hut mit Winkeln gebildet wird, die denen eines gleichseitigen Dreiecks nahe kommen .

Es ist nicht wahr zu sagen, dass die wahre Position des Navigators "definitiv" innerhalb des gespannten Hutes auf der Karte liegt. Der Zweifelsbereich, der eine Positionsfixierung umgibt, wird als Fehlerellipse bezeichnet . Um den Fehler zu minimieren, verwenden elektronische Navigationssysteme im Allgemeinen mehr als drei Referenzpunkte, um eine Positionsfixierung zu berechnen, um die Datenredundanz zu erhöhen . Wenn redundantere Referenzpunkte hinzugefügt werden, wird die Positionsfixierung genauer und der Bereich der resultierenden Fehlerellipse nimmt ab.

Das Kombinieren mehrerer Beobachtungen zur Berechnung eines Positionsfixes entspricht dem Lösen eines linearen Gleichungssystems . Navigationssysteme verwenden Regressionsalgorithmen wie die kleinsten Quadrate , um eine Positionsfixierung im 3D-Raum zu berechnen. Dies geschieht am häufigsten durch die Kombination von Entfernungsmessungen mit 4 oder mehr GPS- Satelliten , die die Erde auf bekannten Wegen umkreisen.

Abdeckung

Interplanetare Systeme

Interplanetar-Funk-Kommunikationssysteme kommunizieren nicht nur mit Raumfahrzeugen, sondern werden auch zur Bestimmung ihrer Position verwendet. Radar kann Ziele in der Nähe der Erde verfolgen, aber Raumfahrzeuge im Weltraum müssen einen funktionierenden Transponder an Bord haben, um ein Funksignal zurückzusenden. Orientierungsinformationen können unter Verwendung von Sternverfolgern erhalten werden .

Globale Systeme

Hauptartikel: Globales Navigationssatellitensystem

Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) ermöglichen es spezialisierten Funkempfängern, ihre 3D-Raumposition sowie ihre Zeit mit einer Genauigkeit von 2 bis 20 Metern oder zehn Nanosekunden zu bestimmen. Derzeit eingesetzte Systeme verwenden Mikrowellensignale, die nur im Freien zuverlässig empfangen werden können und den größten Teil der Erdoberfläche sowie den erdnahen Raum abdecken.

Die vorhandenen und geplanten Systeme sind:

Regionale Systeme

Netzwerke von landgestützten Positionssendern ermöglichen es spezialisierten Funkempfängern, ihre 2D-Position auf der Erdoberfläche zu bestimmen. Sie sind im Allgemeinen weniger genau als GNSS, da ihre Signale nicht vollständig auf die Ausbreitung der Sichtlinie beschränkt sind und nur eine regionale Abdeckung aufweisen. Sie bleiben jedoch für spezielle Zwecke und als Backup nützlich, wenn ihre Signale zuverlässiger empfangen werden, einschließlich unterirdisch und in Innenräumen, und Empfänger gebaut werden können, die sehr wenig Batteriestrom verbrauchen. LORAN ist ein solches System.

Lokale Systeme

Ein lokales Positionierungssystem ( LPS ) ist ein Navigationssystem , das Ortsinformation bei jedem Wetter bietet, an jedem Ort innerhalb der Abdeckung des Netzes, wo es eine unbehinderte Sichtlinie auf drei oder mehr Signalisierungs - Beacons von denen die genauen Position auf der Erde bekannt ist , .

Im Gegensatz zu GPS oder anderen globalen Satellitennavigationssystemen , lokale Positionierungssysteme bieten keine globale Abdeckung. Stattdessen verwenden sie (eine Reihe von) Beacons mit begrenzter Reichweite, sodass der Benutzer in der Nähe dieser sein muss. Beacons umfassen zelluläre Basisstationen , WLAN und LiFi Access Points und Radiorundfunktürme .

In der Vergangenheit wurden Langstrecken-LPS für die Navigation von Schiffen und Flugzeugen verwendet. Beispiele sind das Decca Navigator System und LORAN . Heutzutage werden lokale Ortungssysteme häufig als ergänzende (und in einigen Fällen alternative) Ortungstechnologie zu GPS verwendet, insbesondere in Gebieten, in denen GPS nicht erreicht oder schwach ist, beispielsweise in Gebäuden oder städtischen Schluchten . Die lokale Positionierung mithilfe von Mobilfunk- und Sendemasten kann auf Mobiltelefonen ohne GPS-Empfänger verwendet werden. Selbst wenn das Telefon über einen GPS-Empfänger verfügt, verlängert sich die Akkulaufzeit, wenn die Genauigkeit der Position des Mobilfunkmastes ausreicht. Sie werden auch in spurlosen Fahrgeschäften wie Poohs Hunny Hunt und Mystic Manor eingesetzt .

Beispiele für bestehende Systeme sind

Innensysteme

Hauptartikel: Innenpositionierungssystem

Indoor-Positionierungssysteme sind für den Einsatz in einzelnen Räumen, Gebäuden oder Baustellen optimiert. Sie bieten typischerweise Zentimetergenauigkeit. Einige bieten 6-D- Standort- und Orientierungsinformationen.

Beispiele für bestehende Systeme sind

Arbeitsbereichssysteme

Diese decken nur einen eingeschränkten Arbeitsbereich ab, normalerweise einige Kubikmeter, bieten jedoch Genauigkeit im Millimeterbereich oder besser. Sie bieten typischerweise eine 6-D-Position und Orientierung. Beispielanwendungen umfassen Virtual-Reality- Umgebungen, Ausrichtungswerkzeuge für computergestützte Chirurgie oder Radiologie und Kinematographie ( Bewegungserfassung , Match-Bewegung ).

Beispiele: Wii-Fernbedienung mit Sensorleiste, Polhemus Tracker, Präzisions-Motion-Tracking-Lösungen InterSense.

Technologien

Es gibt mehrere Technologien, um die Position und Ausrichtung eines Objekts oder einer Person in einem Raum, Gebäude oder in der Welt zu bestimmen.

Flugzeit

Flugzeitsysteme bestimmen die Entfernung durch Messen der Ausbreitungszeit gepulster Signale zwischen Sender und Empfänger. Wenn Entfernungen von mindestens drei Orten bekannt sind, kann eine vierte Position unter Verwendung von Trilateration bestimmt werden . Das Global Positioning System ist ein Beispiel.

Optische Tracker wie Laser-Entfernungsmesser leiden unter Sichtlinienproblemen und ihre Leistung wird durch Umgebungslicht und Infrarotstrahlung beeinträchtigt. Andererseits leiden sie in Gegenwart von Metallen nicht unter Verzerrungseffekten und können aufgrund der Lichtgeschwindigkeit hohe Aktualisierungsraten aufweisen.

Ultraschall-Tracker haben aufgrund des Energieverlusts mit der zurückgelegten Strecke eine begrenzte Reichweite. Außerdem sind sie empfindlich gegenüber Ultraschall-Umgebungsgeräuschen und weisen eine niedrige Aktualisierungsrate auf. Der Hauptvorteil ist jedoch, dass sie keine Sichtlinie benötigen.

Systeme, die Funkwellen verwenden, wie das globale Navigationssatellitensystem, leiden nicht unter Umgebungslicht, benötigen jedoch eine Sichtlinie.

Räumlicher Scan

Ein räumliches Scan-System verwendet (optische) Beacons und Sensoren. Zwei Kategorien können unterschieden werden:

  • Inside-Out-Systeme, bei denen das Leuchtfeuer an einer festen Position in der Umgebung platziert ist und sich der Sensor auf dem Objekt befindet
  • Draußen in Systemen, in denen sich die Beacons auf dem Ziel befinden und sich die Sensoren an einer festen Position in der Umgebung befinden

Durch Richten des Sensors auf das Leuchtfeuer kann der Winkel zwischen ihnen gemessen werden. Mit Triangulation kann die Position des Objekts bestimmt werden.

Trägheitserfassung

Der Hauptvorteil einer Trägheitserfassung besteht darin, dass keine externe Referenz erforderlich ist. Stattdessen misst es die Drehung mit einem Gyroskop oder die Position mit einem Beschleunigungsmesser in Bezug auf eine bekannte Startposition und Ausrichtung. Da diese Systeme relative Positionen anstelle von absoluten Positionen messen, können sie unter akkumulierten Fehlern leiden und unterliegen daher einer Drift. Eine regelmäßige Neukalibrierung des Systems sorgt für mehr Genauigkeit.

Mechanische Verbindung

Diese Art von Verfolgungssystem verwendet mechanische Verknüpfungen zwischen der Referenz und dem Ziel. Es wurden zwei Arten von Verknüpfungen verwendet. Eine ist eine Baugruppe aus mechanischen Teilen, die sich jeweils drehen können und dem Benutzer mehrere Drehmöglichkeiten bieten. Die Ausrichtung der Verbindungen wird aus den verschiedenen Verbindungswinkeln berechnet, die mit Inkrementalgebern oder Potentiometern gemessen werden. Andere Arten von mechanischen Verbindungen sind Drähte, die in Spulen gewalzt sind. Ein Federsystem sorgt dafür, dass die Drähte gespannt werden, um den Abstand genau zu messen. Die von mechanischen Verbindungs-Trackern erfassten Freiheitsgrade hängen von der Konstitution der mechanischen Struktur des Trackers ab. Während am häufigsten sechs Freiheitsgrade vorgesehen sind, ist aufgrund der Kinematik der Gelenke und der Länge jeder Verbindung typischerweise nur ein begrenzter Bewegungsbereich möglich. Auch das Gewicht und die Verformung der Struktur nehmen mit dem Abstand des Ziels von der Referenz zu und begrenzen das Arbeitsvolumen.

Phasendifferenz

Phasendifferenzsysteme messen die Phasenverschiebung eines eingehenden Signals von einem Emitter auf einem sich bewegenden Ziel im Vergleich zur Phase eines eingehenden Signals von einem Referenzemitter. Damit kann die Relativbewegung des Emitters zum Empfänger berechnet werden. Wie Trägheitserfassungssysteme können Phasendifferenzsysteme unter akkumulierten Fehlern leiden und unterliegen daher einer Drift, aber weil die Phase kontinuierlich gemessen werden kann, können sie erzeugen hohe Datenraten. Omega (Navigationssystem) ist ein Beispiel.

Direkte Felderfassung

Direktfeld-Erfassungssysteme verwenden ein bekanntes Feld, um die Ausrichtung oder Position abzuleiten: Ein einfacher Kompass verwendet das Erdmagnetfeld , um seine Ausrichtung in zwei Richtungen zu ermitteln. Ein Neigungsmesser verwendet das Erdgravitationsfeld , um seine Ausrichtung in der verbleibenden dritten Richtung zu ermitteln. Das zur Positionierung verwendete Feld muss jedoch nicht aus der Natur stammen. Ein System von drei senkrecht zueinander angeordneten Elektromagneten kann einen Raumbezug definieren. Am Empfänger messen drei Sensoren die Komponenten des Feldflusses, der als Folge der magnetischen Kopplung empfangen wird . Basierend auf diesen Maßnahmen bestimmt das System die Position und Ausrichtung des Empfängers in Bezug auf die Senderreferenz.

Optische Systeme

Optische Positionierungssysteme basieren auf optischen Komponenten, beispielsweise in Totalstationen .

Hybridsysteme

Da jede Technologie ihre Vor- und Nachteile hat, verwenden die meisten Systeme mehr als eine Technologie. Ein System, das auf relativen Positionsänderungen basiert, wie das Trägheitssystem, muss regelmäßig gegen ein System mit absoluter Positionsmessung kalibriert werden. Systeme, die zwei oder mehr Technologien kombinieren, werden als hybride Positionierungssysteme bezeichnet.

Hybride Positionierungssysteme sind Systeme zum Auffinden des Standorts eines mobilen Geräts unter Verwendung verschiedener Positionierungstechnologien. Normalerweise ist GPS ( Global Positioning System ) eine Hauptkomponente solcher Systeme, kombiniert mit Mobilfunkmastsignalen, drahtlosen Internetsignalen, Bluetooth- Sensoren, IP-Adressen und Netzwerkumgebungsdaten.

Diese Systeme wurden speziell entwickelt, um die Einschränkungen von GPS zu überwinden, das in offenen Bereichen sehr genau ist, aber in Innenräumen oder zwischen hohen Gebäuden schlecht funktioniert ( Urban Canyon- Effekt). Im Vergleich dazu werden Zellturmsignale nicht durch Gebäude oder schlechtes Wetter behindert, sondern bieten normalerweise eine weniger genaue Positionierung. Wi-Fi-Positionierungssysteme können in städtischen Gebieten mit hoher Wi-Fi-Dichte eine sehr genaue Positionierung ermöglichen - und sind auf eine umfassende Datenbank von Wi-Fi-Zugangspunkten angewiesen.

Hybride Ortungssysteme werden zunehmend für bestimmte zivile und kommerzielle standortbezogene Dienste und standortbezogene Medien untersucht , die in städtischen Gebieten gut funktionieren müssen, um wirtschaftlich und praktisch rentabel zu sein.

Zu den ersten Arbeiten in diesem Bereich gehört das Place Lab-Projekt, das 2003 begann und 2006 inaktiv wurde. Spätere Methoden ermöglichen es Smartphones, die Genauigkeit von GPS mit dem geringen Stromverbrauch bei der Ermittlung von Zellen-ID-Übergangspunkten zu kombinieren.

Siehe auch

Verweise

Weiterführende Literatur