Как называется глобальная система позиционирования bluetooth gps wi fi

Обновлено: 06.07.2024

Система глоба́льного позициони́рования (англ. Global Positioning System, сокр. GPS; иногда называется ГСМ — глобальная система местоопределения) — радиосистема определения местоположения, использующая навигационные спутники. Такие системы обеспечивают круглосуточную информацию о трехмерном положении, скорости и времени для пользователей, обладающих соответствующим оборудованием (GPS-приемник; Glospace) и находящихся на или вблизи земной поверхности (а иногда и вне ее).

Первой системой GPS, широко доступной гражданским пользователям, стала NAVSTAR, обслуживаемая Министерством обороны США. Американская система NAVSTAR началась с запуска первого спутника в феврале 1978 года.

Своя система была разработана и в СССР, но использовалась исключительно для военных целей (до 1991 года использование GPS на территории СССР было вообще запрещено, кроме военных). Первый спутник ГЛОНАСС был выведен Советским Союзом на орбиту 12 октября 1982 года. 24 сентября 1993 года система была официально принята в эксплуатацию. Необходимое число спутников, 24, было достигнуто к 1995 году, но в дальнейшем из-за экономических и политических трудностей орбитальная группировка сократилась.

В 2007 году начато коммерческое использование отечественной системы ГЛОНАСС (сокр. от Глобальная навигационная спутниковая система). Находится в стадии разработки система «Галилео», развиваемая странами ЕС.

Принцип работы системы

Для получения информации о скорости большинство навигационных приемников используют эффект Доплера. Систему образуют 24 спутника, находящиеся на точно заданных орбитах. Они передают непрерывные сигналы приемникам на суше, в море, в воздухе и с космосе. GPS служит для определения местоположения, навигации, картографирования, прокладки маршрутов, отсчета времени и синхронизации событий. Орбиты спутников располагаются примерно между 60 градусами северной и южной широты. Этим достигается то, что сигнал от хотя бы некоторых спутников может приниматься повсеместно в любое время.

Приемное устройство GPS использует спутниковые сигналы для измерения расстояния от каждого от четырех (или больше) спутников, которые в этот момент находятся в его поле зрения. Альманах (астрономический календарь) в приемном устройстве, который обновляется корректирующими сигналами со спутников, определяет, где именно находятся сейчас спутники. Зная положение четырех спутников и расстояние до каждого из них, приемник может вычислить скорость своего движения. Стандартные приемники могут фиксировать местоположение с точностью в несколько метров и время — до 1 миллионной секунды. Новейшие приемники имеют точность до нескольких сантиметров.

GPS обеспечивает единый мировой стандарт для измерения пространства и времени. Ее точность позволяет самолетам летать ближе друг к другу, по более прямым маршрутам, повышает безопасность полетов.

Сигнал NAVSTAR содержит т. н. «псевдослучайный код» (PRN - pseudo-random code), эфимерис (ephimeris) и альманах (almanach). Псевдослучайный код служит для идентификации передающего спутника. Все они пронумерованы от 1 до 32 и этот номер показывается на экране GPS-приемника во время его работы. Количество PRN-номеров больше, чем число спутников (24), т. к. это облегчает обслуживание GPS-сети: новый спутник может быть запущен, проверен и введен в эксплуатацию еще до того, как старый выйдет из строя. Такому спутнику просто будет присвоен новый номер (от 1 до 32).

Данные эфимериса, постоянно передаваемые каждым спутником, содержат такую важную информацию, как состояние спутника (рабочее или нерабочее), текущая дата и время. Данные альманаха говорят о том, где в течение дня должны находиться все GPS-спутники. Каждый из них передает альманах, содержащий параметры своей орбиты, а также всех других спутников системы.

Двадцать четыре спутника вращаются вокруг Земли на высоте ок. 20 тыс. км. На каждой из шести орбитальных плоскостей располагается по четыре спутника. Несмотря на то, что орбиты точно выверены, ошибки все же случаются и спутники передают на приемники GPS навигационные поправки для обновления альманахов. Навигационные поправки сообщаются спутникам наземными станциями, которые непрерывно следят за их местоположением и скоростью.

Определение дальности

Приемник GPS определяет свое положение путем вычисления расстояния до каждого из четырех спутников, точное местоположение которых известно. Каждый спутник передает сигналы; на то, чтобы они достигли приемника, требуется определенное время. Встроенные часы приемника синхронизированы с атомными часами спутников, что позволяет вычислять время прохождения сигналов. Расстояние до каждого спутника вычисляется по времени прохождения сигнала и скорости распространения радиоволн. С помощью метода, называемого триангуляцией, измеренные расстояния объединяются с данными о положении спутников, и это позволяет определить местоположение приемника.

Смотри также

Эффект Доплера
ГЛОНАСС
GPS — статья из англо-русского словаря по вычислительной технике, интернету и программированию Э.М. Пройдакова и Л.А. Теплицкого

В помещении система позиционирования ( IPS ) представляет собой сеть устройств , используемых для поиска людей или объектов , где GPS и другие спутниковые технологии не хватает точности или не полностью, например, внутри многоэтажных зданий, аэропортов, аллей, парковок и подземных местах.

Для определения местоположения внутри помещений используется большое количество разнообразных методов и устройств, начиная от уже развернутых реконфигурированных устройств, таких как смартфоны, антенны WiFi и Bluetooth , цифровые камеры и часы; для специально построенных установок с реле и маяками, стратегически размещенными в определенном пространстве. В сетях IPS используются свет, радиоволны, магнитные поля, акустические сигналы и поведенческая аналитика. IPS может достигать точности позиционирования 2 см, что сопоставимо с приемниками GNSS с поддержкой RTK, которые могут достигать точности 2 см на открытом воздухе. IPS использует различные технологии, включая измерение расстояния до ближайших узлов привязки (узлы с известными фиксированными положениями, например, точки доступа WiFi / LiFi , маяки Bluetooth или сверхширокополосные маяки), магнитное позиционирование , точный расчет . Они либо активно определяют местонахождение мобильных устройств и тегов, либо обеспечивают определение местоположения или окружающей среды для устройств. Локализованный характер IPS привел к фрагментации конструкции, когда системы используют различные оптические , радио или даже акустические технологии.

IPS имеет широкое применение в коммерческой, военной, розничной торговле и в сфере отслеживания запасов. На рынке существует несколько коммерческих систем, но нет стандартов для системы IPS. Вместо этого каждая установка адаптирована к пространственным размерам, строительным материалам, требованиям точности и бюджетным ограничениям.

Содержание

Применимость и точность

Из-за ослабления сигнала, вызванного строительными материалами, спутниковая система глобального позиционирования (GPS) теряет значительную мощность в помещении, что влияет на необходимое покрытие приемников как минимум четырьмя спутниками. Кроме того, множественные отражения от поверхностей вызывают многолучевое распространение, приводящее к неконтролируемым ошибкам. Эти же самые эффекты ухудшают все известные решения для определения местоположения внутри помещений, в которых используются электромагнитные волны от внутренних передатчиков до внутренних приемников. Для решения этих проблем применяется комплекс физических и математических методов. Перспективное направление коррекции ошибок радиочастотного позиционирования открылось за счет использования альтернативных источников навигационной информации, таких как инерциальный измерительный блок (IMU), монокулярная камера с одновременной локализацией и картированием (SLAM) и WiFi SLAM. Интеграция данных из различных навигационных систем с разными физическими принципами может повысить точность и надежность всего решения.

США Глобальная система позиционирования (GPS) и другие подобные глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS) , как правило , не подходят для создания закрытых помещениях, так как микроволны будут ослаблены и рассеяны по крышам, стен и других предметов. Однако, чтобы сделать сигналы позиционирования повсеместными, можно выполнить интеграцию между GPS и позиционированием в помещении.

В настоящее время приемники GNSS становятся все более и более чувствительными из-за увеличения вычислительной мощности микрочипов. Приемники GNSS с высокой чувствительностью могут принимать спутниковые сигналы в большинстве помещений, и попытки определить трехмерное положение в помещении оказались успешными. Помимо повышения чувствительности приемников, используется технология A-GPS , где альманах и другая информация передаются через мобильный телефон.

Однако надлежащее покрытие для четырех спутников, необходимых для обнаружения приемника, не достигается при всех текущих конструкциях (2008–11 гг.) Для работы внутри помещений. Кроме того, средний бюджет ошибок для систем GNSS обычно намного больше, чем ограничения, в которых должно выполняться определение местоположения.

Типы использования

Расположение и позиционирование

Хотя большинство современных IPS способны определять местоположение объекта, они настолько грубые, что их нельзя использовать для определения ориентации или направления объекта.

Поиск и отслеживание

Одним из методов достижения достаточной эксплуатационной пригодности является « отслеживание ». Образует ли определенная последовательность местоположений траекторию от первого до самого фактического местоположения. Статистические методы затем служат для сглаживания местоположений, определенных на треке, с учетом физических возможностей объекта двигаться. Это сглаживание необходимо применять, когда цель перемещается, а также для постоянной цели, чтобы компенсировать ошибочные меры. В противном случае единичное место жительства или даже следуемая траектория составили бы странствующую последовательность прыжков.

Идентификация и сегрегация

В большинстве приложений совокупность целей больше, чем одна. Следовательно, IPS должен служить для правильной идентификации каждой наблюдаемой цели и должен быть способен разделять и разделять цели индивидуально в группе. IPS должна быть способна идентифицировать отслеживаемые объекты, несмотря на "неинтересных" соседей. В зависимости от конструкции либо сенсорная сеть должна знать, от какой метки она получила информацию, либо устройство определения местоположения должно иметь возможность напрямую идентифицировать цели.

Беспроводные технологии

Для определения местоположения можно использовать любую беспроводную технологию. Многие различные системы используют преимущества существующей беспроводной инфраструктуры для определения местоположения внутри помещений. Существует три основных варианта топологии системы для конфигурации оборудования и программного обеспечения: сетевая, терминальная и терминальная. Точность позиционирования можно повысить за счет оборудования и установок беспроводной инфраструктуры.

Система позиционирования на основе Wi-Fi (WPS)

Система позиционирования Wi-Fi (WPS) используется там, где GPS неадекватен. Метод локализации, используемый для определения местоположения с помощью точек беспроводного доступа, основан на измерении интенсивности принятого сигнала ( сила принятого сигнала в английском языке RSS) и методе «fingerprinting». Для повышения точности методов снятия отпечатков пальцев могут применяться методы статистической постобработки (например, теория гауссовского процесса ) для преобразования дискретного набора «отпечатков пальцев» в непрерывное распределение RSSI каждой точки доступа по всему местоположению. Типичные параметры, полезные для геолокации точки доступа Wi-Fi или беспроводной точки доступа, включают SSID и MAC-адрес точки доступа. Точность зависит от количества позиций, внесенных в базу данных. Возможные колебания сигнала, которые могут возникнуть, могут увеличить количество ошибок и неточностей на пути пользователя.

Bluetooth

Изначально Bluetooth заботился о близости, а не о точном местоположении. Bluetooth не был предназначен для обеспечения привязанного местоположения, такого как GPS, однако известен как решение для геозон или микроизгородей, что делает его решением для приближения внутри помещения, а не решением для позиционирования внутри помещения.

Micromapping и крытый отображение было связано с Bluetooth и к Bluetooth LE на основе IBeacon способствовало Apple Inc. . Реализована и применяется на практике масштабная система позиционирования внутри помещений на базе iBeacons.

Положение динамика Bluetooth и домашние сети могут использоваться для широкого ознакомления.

Концепции узких мест

Простая концепция индексации местоположения и отчетов о присутствии для помеченных объектов, использует только известную идентификацию датчика. Обычно это происходит с системами пассивной радиочастотной идентификации (RFID) / NFC , которые не сообщают об уровне сигнала и различных расстояниях отдельных тегов или большого количества тегов и не обновляют какие-либо ранее известные координаты местоположения датчика или текущее расположение любых тегов. Работоспособность таких подходов требует некоторого узкого прохода для предотвращения выхода за пределы диапазона.

Концепции сетки

Вместо измерения на большом расстоянии может быть организована плотная сеть приемников малого радиуса действия, например, в виде сетки для экономии во всем наблюдаемом пространстве. Из-за малого диапазона помеченный объект будет идентифицирован только несколькими близкими сетевыми приемниками. Идентифицированный тег должен находиться в пределах досягаемости идентифицирующего считывателя, что позволяет приблизительно определить местоположение тега. Усовершенствованные системы сочетают визуальное покрытие с сеткой камеры с покрытием беспроводной связи для труднопроходимой местности.

Концепции датчиков большого радиуса действия

Большинство систем используют непрерывные физические измерения (например, только угол и расстояние или расстояние) вместе с данными идентификации в одном комбинированном сигнале. Досягаемость этих датчиков обычно охватывает весь этаж, проход или отдельную комнату. Решения с малым радиусом действия применяются с несколькими датчиками и перекрывающимся радиусом действия.

Угол прихода

Угол прихода (AoA) - это угол, под которым сигнал достигает приемника. AoA обычно определяется путем измерения разницы во времени прихода (TDOA) между несколькими антеннами в матрице датчиков. В других приемниках он определяется набором высоконаправленных датчиков - угол можно определить по тому, какой датчик принял сигнал. AoA обычно используется с триангуляцией и известной базовой линией для определения местоположения относительно двух якорных передатчиков.

Время прибытия

Время прибытия (ToA, также время полета) - это время, необходимое сигналу для распространения от передатчика к приемнику. Поскольку скорость распространения сигнала постоянна и известна (без учета различий в средах), время распространения сигнала можно использовать для непосредственного расчета расстояния. Множественные измерения можно комбинировать с трилатерацией и мультилатерацией, чтобы найти местоположение. Это метод, используемый GPS . Системы, которые используют ToA, обычно требуют сложного механизма синхронизации для поддержания надежного источника времени для датчиков (хотя этого можно избежать в тщательно спроектированных системах, используя повторители для установления связи).

Точность методов, основанных на TOA, часто страдает от условий сильного многолучевого распространения при локализации внутри помещения, что вызвано отражением и дифракцией РЧ-сигнала от объектов (например, внутренних стен, дверей или мебели) в окружающей среде. Однако можно уменьшить влияние многолучевого распространения, применяя методы, основанные на временной или пространственной разреженности.

Индикация уровня принимаемого сигнала

Индикация уровня принимаемого сигнала (RSSI) - это измерение уровня мощности, принимаемого датчиком. Поскольку радиоволны распространяются по закону обратных квадратов , расстояние можно приблизительно определить (обычно с точностью до 1,5 метра в идеальных условиях и от 2 до 4 метров в стандартных условиях) на основе соотношения между мощностью передаваемого и принимаемого сигнала (мощность передачи равна постоянная в зависимости от используемого оборудования), если другие ошибки не приводят к ошибочным результатам. Внутри зданий нет свободного пространства , поэтому на точность существенно влияют отражение и поглощение от стен. Нестационарные объекты, такие как двери, мебель и люди, могут представлять еще большую проблему, поскольку они могут влиять на мощность сигнала динамическим и непредсказуемым образом.

Многие системы используют расширенную инфраструктуру Wi-Fi для предоставления информации о местоположении. Ни одна из этих систем не предназначена для правильной работы с какой-либо инфраструктурой как есть. К сожалению, измерения уровня сигнала Wi-Fi очень зашумлены , поэтому продолжаются исследования, направленные на создание более точных систем с использованием статистики для фильтрации неточных входных данных. Системы позиционирования Wi-Fi иногда используются на открытом воздухе в качестве дополнения к GPS на мобильных устройствах, где лишь несколько беспорядочных отражений мешают результатам.

Другие беспроводные технологии

Радиочастотная идентификация (RFID): пассивные метки очень рентабельны, но не поддерживают никаких показателей.
Сверхширокий диапазон (UWB): снижение помех от других устройств
Инфракрасный (ИК): ранее был включен в большинство мобильных устройств
Связь видимого света (VLC), как LiFi : может использовать существующие системы освещения
Ультразвук : волны движутся очень медленно, что обеспечивает гораздо более высокую точность

Другие технологии

Нерадиотехнологии можно использовать для позиционирования без использования существующей беспроводной инфраструктуры. Это может обеспечить повышенную точность за счет дорогостоящего оборудования и установок.

Магнитное позиционирование

Магнитное позиционирование может предложить пешеходам со смартфонами точность в 1–2 метра в помещении с уровнем достоверности 90%, без использования дополнительной беспроводной инфраструктуры для определения местоположения. Магнитное позиционирование основано на железе внутри зданий, которое создает локальные вариации магнитного поля Земли. Неоптимизированные чипы компаса внутри смартфонов могут обнаруживать и записывать эти магнитные вариации для нанесения на карту мест внутри помещений.

Инерционные измерения

Расчет мертвых пешеходов и другие подходы к позиционированию пешеходов предлагают инерциальную единицу измерения, переносимую пешеходом либо путем косвенного измерения шагов (подсчет шагов), либо путем подхода, устанавливаемого на ногу, иногда ссылаясь на карты или другие дополнительные датчики для ограничения естественного смещения датчиков, встречающегося с инерциальной навигацией. Инерциальные датчики MEMS страдают от внутренних шумов, которые со временем приводят к кубическому увеличению ошибки положения. Чтобы уменьшить рост ошибок в таких устройствах, часто используется подход, основанный на фильтрации Калмана . Однако для того, чтобы он мог строить карту, будет использоваться структура алгоритма SLAM.

Инерционные меры обычно охватывают дифференциалы движения, поэтому местоположение определяется с помощью интегрирования и, следовательно, для получения результатов требуются константы интегрирования. Фактическая оценка положения может быть найдена как максимум двумерного распределения вероятностей, которое пересчитывается на каждом шаге с учетом модели шума всех задействованных датчиков и ограничений, создаваемых стенами и мебелью. Основываясь на движениях и поведении пользователей при ходьбе, IPS может оценивать местоположение пользователей с помощью алгоритмов машинного обучения.

Позиционирование на основе визуальных маркеров

Система визуального позиционирования может определять местоположение мобильного устройства с камерой путем декодирования координат местоположения по визуальным маркерам. В такой системе маркеры размещаются в определенных местах по всему объекту, каждый маркер кодирует координаты этого места: широту, долготу и высоту от пола. Измерение угла обзора от устройства до маркера позволяет устройству оценить свои собственные координаты местоположения относительно маркера. Координаты включают широту, долготу, высоту и высоту от пола.

Расположение на основе известных визуальных особенностей

Набор последовательных снимков с камеры мобильного устройства может создать базу данных изображений, которая подходит для оценки местоположения на месте. После создания базы данных мобильное устройство, перемещающееся по объекту, может делать снимки, которые можно интерполировать в базу данных объекта, получая координаты местоположения. Эти координаты можно использовать в сочетании с другими методами определения местоположения для повышения точности. Обратите внимание, что это может быть частный случай объединения датчиков, когда камера играет роль еще одного датчика.

Математика

После сбора данных датчика IPS пытается определить место, из которого, скорее всего, была получена полученная передача. Данные от одного датчика обычно неоднозначны и должны быть разрешены с помощью ряда статистических процедур для объединения нескольких входных потоков датчиков.

Эмпирический метод

Один из способов определения местоположения - сопоставление данных из неизвестного местоположения с большим набором известных местоположений с использованием такого алгоритма, как k-ближайший сосед . Этот метод требует комплексного обследования на месте и будет неточным при любых значительных изменениях в окружающей среде (из-за движущихся людей или движущихся объектов).

Математическое моделирование

Местоположение будет рассчитано математически путем аппроксимации распространения сигнала и определения углов и / или расстояния. Затем обратная тригонометрия будет использоваться для определения местоположения:

Трилатерация (расстояние от якорей)
Триангуляция (угол к анкерам)

Продвинутые системы сочетают более точные физические модели со статистическими процедурами:

Байесовский статистический анализ (вероятностная модель)
Фильтрация Калмана (для оценки надлежащих потоков создания ценности в условиях шума).

Использует

Основным потребительским преимуществом позиционирования внутри помещений является распространение мобильных вычислений с учетом местоположения внутри помещений. Поскольку мобильные устройства становятся повсеместными, контекстная осведомленность о приложениях становится приоритетом для разработчиков. Однако большинство приложений в настоящее время полагаются на GPS и плохо работают в помещении. Применение внутри помещений включает:

Содержание

История

Перед разработкой GPS - навигационные системы наземного базирования, такие как LORAN (Long Range Navigation) от U.S. и Decca Navigator System от U.K., являются основными технологиями навигации. Обе эти технологии основаны на радиоволнах, а диапазоны ограничены несколькими сотнями километров. В начале 1960-х годов три правительственные организации Соединенных Штатов, а именно Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), Министерство обороны и Департамент транспорта вместе с несколькими другими организациями, начали разработку спутниковой навигационной системы с целью обеспечения высокой точности, независимую от погоды работу и глобальный охват. Эта программа развивалась в навигационной спутниковой синхронизации и ранжировании глобальной системы позиционирования (Глобальная система позиционирования NAVSTAR). Эта система была впервые разработана как военная система для удовлетворения потребностей вооруженных сил Соединенных Штатов. Вооруженные силы США использовали NAVSTAR для навигации, а также системы таргетинга системы оружия и системы управления ракетами.

Возможность врагов, использующих эту навигационную систему против Соединенных Штатов, является основной причиной, по которой гражданские лица не получили доступа к ней. Первый спутник NAVSTAR был запущен в 1978 году, и к 1994 году на орбите было установлено полное созвездие из 24 спутников и, таким образом, стало полностью работоспособным.В 1996 году правительство США признало важность GPS для гражданских лиц и объявило систему двойного использования, обеспечив доступ как к военным, так и к гражданским лицам. [Источник 1]

Cтруктура GPS

Основной метод спутниковой навигационной системы Global Positioning System (GPS) - это измерение расстояний между приемником и несколькими спутниками, которые одновременно наблюдаются. Положения этих спутников уже известны и, следовательно, путем измерения расстояния между четырьмя из этих спутников и приемником могут быть установлены три координаты положения приемника GPS, то есть широта, долгота и высота. Поскольку изменение положения приемника можно определить очень точно, можно также определить скорость приемника. [Источник 2]

Сегменты GPS

Структура этого комплекса Глобальная система позиционирования разделена на три основных сегмента: Космический сегмент, Контрольный сегмент и Пользовательский сегмент. В этом сегменте управления и космическом сегменте разрабатываются, эксплуатируются и поддерживаются ВВС США. На следующем рисунке показаны три сегмента системы GPS.

Космический сегмент

Космический сегмент GPS состоит из созвездия из 24 спутников, которые вращаются вокруг Земли примерно на круговых орбитах. Спутники размещены в шести орбитальных плоскостях с каждой орбитальной плоскостью, состоящей из четырех спутников. Наклон плоскостей орбит и расположение спутников устроены таким образом, что минимум шесть спутников всегда находятся в прямой видимости из любого места на Земле. Приступая к расположению созвездия в космосе, спутники GPS помещаются на Среднеземную орбиту на высоте около 20 000 км. Чтобы увеличить избыточность и повысить точность, общее количество спутников GPS в созвездии увеличено до 32, из которых 31 спутник работает.

Контрольный сегмент

Контрольный сегмент GPS состоит из сети всемирных станций мониторинга и контроля и отслеживания. Основная задача контрольного сегмента - отслеживать положение спутников GPS и поддерживать их на правильных орбитах с помощью команд маневрирования помощи. Кроме того, система управления также определяет и поддерживает целостность бортовой системы, атмосферные условия, данные от атомных часов и другие параметры. Сегмент управления GPS снова разделен на четыре подсистемы: Новая контрольная станция (NMCS), Альтернативная станция управления (AMCS), четыре наземные антенны (GA) и всемирная сеть станций мониторинга (MS).

Пользовательский сегмент

Пользовательский сегмент системы GPS состоит из конечных пользователей технологии, таких как гражданские и военные для навигации, точного или стандартного позиционирования и времени. Как правило, для доступа к услугам GPS пользователь должен быть оснащен GPS-приемниками, такими как автономные GPS-модули, мобильные телефоны, которые оснащены GPS и специализированными GPS-консолями.

С помощью этих GPS-приемников гражданские пользователи могут знать стандартную позицию, точное время и скорость, в то время как военные используют их для точного позиционирования, руководства по ракете, навигации.

Принцип работы GPS

С помощью GPS-приемников мы можем рассчитать положение объекта в любом месте Земли либо в двумерном, либо в трехмерном пространстве. Для этого приемники GPS используют математический метод Trilateration, метод, с помощью которого положение объекта можно определить, измеряя расстояние между объектом и несколькими другими объектами с уже известными позициями. Таким образом, в случае GPS-приемников, чтобы узнать местоположение приемника, модуль приемника должен знать следующие две вещи:

Расположение спутников в пространстве
Расстояние между спутниками и GPS-приемником

Определение местоположения спутников

Чтобы определить местоположение спутников, GPS-приемники используют два типа данных, передаваемых спутниками GPS: данные Альманаха и данные эфемерид. Спутники GPS непрерывно передают свое приблизительное положение. Эти данные называются данными Альманаха, которые периодически обновляются, когда спутник перемещается по орбите. Эти данные принимаются приемником GPS и сохраняются в его памяти. С помощью данных Альманаха GPS-приемник может определять орбиты спутников, а также, где предполагается спутник. Условия в пространстве не могут быть предсказаны, и есть огромный шанс, что спутники могут отклониться от своего фактического пути. Станция главного управления (MCS) вместе со специализированными Станциями мониторинга (MS) отслеживает путь спутников наряду с другой информацией, такой как высота, скорость, орбита и местоположение. Если в любом из параметров есть какая-либо ошибка, скорректированные данные отправляются на спутники, чтобы они оставались в точном положении. Эти орбитальные данные, отправленные MCS на спутник, называются Ephemeris Data. Спутник, получив эти данные, исправляет свое положение и также отправляет эти данные в приемник GPS. С помощью как данных, таких как Альманак и Эфемерис, GPS-приемник может постоянно знать точное местоположение спутников. Для измерения расстояния между GPS-приемником и спутниками время играет важную роль. Формула для расчета расстояния спутника от GPS-приемника приведена ниже: Расстояние = скорость света х время пути спутникового сигнала Здесь время пути спутникового сигнала - это время, принимаемое спутниковым сигналом (сигнал в виде радиоволн , Отправленный спутником в GPS-приемник), чтобы добраться до приемника. Скорость света является постоянным значением и равна C = 3 · 108 м / с. Чтобы рассчитать время, сначала нам нужно понять сигнал, отправленный спутником. Транскодированный сигнал, передаваемый спутником, называется псевдослучайным шумом (PRN). Поскольку спутник генерирует этот код и начинает передачу, GPS-приемник также начинает генерировать один и тот же код и пытается их синхронизировать. Затем GPS-приемник вычисляет величину временной задержки, которую должен был получить генерируемый кодом приемника, прежде чем синхронизироваться с переданным спутником кодом.

Как только местоположение спутников и их расстояние от GPS-приемника известны, то определение местоположения GPS-приемника в 2D пространстве или 3D-пространстве.

Типы GPS-приемников

GPS используется как гражданскими лицами, так и военными. Следовательно, типы GPS-приемника могут быть классифицированы в гражданских GPS-приемниках и военных GPS-приемниках. Но стандартный способ классификации основан на типе кода, который получатель может обнаружить. В принципе, существуют два типа кодов, которые GPS-спутник передает: Кодекс грубой регистрации (C / A Code) и P-Code. Приемные устройства GPS-приемника могут обнаруживать только код C / A. Этот код не является точным, и поэтому гражданская система позиционирования называется службой стандартного позиционирования (SPS). С другой стороны, P-Code используется военными и является очень точным кодом. Система позиционирования, используемая военными, называется Precise Positioning Service (PPS). GPS-приемники могут быть классифицированы на основе способности декодировать эти сигналы. Другой способ классификации коммерчески доступных приемников GPS основан на возможности приема сигналов. Используя этот метод, GPS-приемники можно разделить на:

Одночастотные приемники кода
Одночастотные несущие - Сглаженные кодовые приемники
Одночастотный код и несущие ресиверы
Двухчастотные приемники

Применение GPS

Несмотря на то, что изначально проект GPS был направлен на военные цели, сегодня GPS широко используются в гражданских целях. GPS-приёмники продают во многих магазинах, торгующих электроникой, их встраивают в мобильные телефоны, смартфоны, наручные электронные часы, КПК и онбордеры. Потребителям также предлагаются различные устройства и программные продукты, позволяющие видеть своё местонахождение на электронной карте; имеющие возможность прокладывать маршруты с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже пробок; искать на карте конкретные дома и улицы, достопримечательности, кафе, больницы, автозаправки и прочие объекты инфраструктуры.

Геодезия: с помощью GPS определяются точные координаты точек и границы земельных участков.
Картография: GPS используется в гражданской и военной картографии.
Навигация: с применением GPS осуществляется как морская, так и дорожная навигация.
Спутниковый мониторинг транспорта: с помощью GPS ведётся мониторинг за положением, скоростью автомобилей, контроль за их движением.
Сотовая связь: первые мобильные телефоны с GPS появились в 90-х годах. В некоторых странах, например США, это используется для оперативного определения местонахождения человека, звонящего 911. В России в 2010 году начата реализация аналогичного проекта — Эра-глонасс.
Тектоника, Тектоника плит: с помощью GPS ведутся наблюдения движений и колебаний плит.
Активный отдых: есть разные игры, где применяется GPS, например, геокэшинг и др.
Геотегинг: информация, например фотографии, «привязываются» к координатам благодаря встроенным или внешним GPS-приёмникам. [Источник 4]

Приложения GPS стали неотъемлемой частью глобальной инфраструктуры, аналогичной Интернету. GPS является ключевым элементом в разработке широкого спектра приложений, распространяющихся по различным аспектам современной жизни. Увеличение крупномасштабного производства и миниатюризации компонентов привело к снижению стоимости GPS-приемников. Ниже приводится небольшой список приложений, в которых GPS играет важную роль. Современное сельское хозяйство усилило производство с помощью GPS. Фермеры используют технологию GPS вместе с современными электронными устройствами, чтобы получить точную информацию о полевой области, средней урожайности, расходе топлива, пройденном расстоянии и т. Д. В области автомобилей автоматизированные управляемые транспортные средства чаще всего используются в промышленных или потребительских приложениях. GPS позволяет этим транспортным средствам находиться в навигации и позиционировании. Гражданские лица используют GPS-приемники для целей навигации. Приемник GPS может быть выделенным модулем или встроенным модулем в мобильных телефонах и наручных часах. Они очень полезны в походах, дорожных поездках, вождении и т. Д. Дополнительные функции включают точное время и скорость автомобиля. Аварийные службы, такие как пожар и скорая помощь, получают выгоду от точного позиционирования места бедствия с помощью GPS и могут своевременно реагировать. Военные используют высокоточные GPS-приемники для навигации, отслеживания целей, системы управления ракетами.

Система позиционирования - это механизм определения положения объекта в пространстве . [1] Существуют различные технологии для решения этой задачи: от всемирного покрытия с точностью до метра до покрытия рабочего пространства с точностью до миллиметра.

СОДЕРЖАНИЕ

Системы межпланетной радиосвязи не только связываются с космическими кораблями, но и используются для определения их местоположения. Радар может отслеживать цели вблизи Земли, но космический корабль в глубоком космосе должен иметь на борту работающий транспондер для отражения радиосигнала. Информацию об ориентации можно получить с помощью звездных трекеров .

Глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS) позволяют специализированным радиоприемникам определять свое трехмерное положение в пространстве, а также время с точностью до 2–20 метров или десятков наносекунд. В настоящее время развернутые системы используют микроволновые сигналы, которые можно надежно принимать только вне помещений и которые покрывают большую часть поверхности Земли, а также околоземное пространство.

Существующие и планируемые системы:

- военная система США, полностью работающая с 1995 года. - российская военная система, полностью работоспособная с октября 2011 года. - Европейское сообщество, полностью функционирует с декабря 2019 года - планируемый проект в Китае - планируемый проект в Индии

Сети наземных передатчиков позиционирования позволяют специализированным радиоприемникам определять свое двухмерное положение на поверхности Земли. Как правило, они менее точны, чем GNSS, потому что их сигналы не ограничиваются полностью прямой видимостью и имеют только региональное покрытие. Однако они остаются полезными для специальных целей и в качестве резервной копии, где их сигналы принимаются более надежно, в том числе под землей и внутри помещений, и могут быть построены приемники, потребляющие очень мало энергии батареи. ЛОРАН - такая система.

Локальные системы [ редактировать ]

Система локального позиционирования ( LPS ) - это навигационная система, которая предоставляет информацию о местоположении в любую погоду, в любом месте зоны покрытия сети, где есть беспрепятственная прямая видимость для трех или более сигнальных маяков, точное положение которых известно. . [2] [3] [4] [5]

В отличие от GPS или других глобальных навигационных спутниковых систем , локальные системы позиционирования не обеспечивают глобального покрытия. Вместо этого они используют (набор) маяков, которые имеют ограниченный диапазон, следовательно, требуют, чтобы пользователь находился рядом с ними. К маякам относятся базовые станции сотовой связи , точки доступа Wi-Fi и LiFi , а также вышки радиовещания .

В прошлом LPS дальнего действия использовались для навигации кораблей и самолетов. Примерами являются система Decca Navigator и LORAN . В настоящее время локальные системы позиционирования часто используются в качестве дополнительной (а в некоторых случаях альтернативной) технологии позиционирования по отношению к GPS, особенно в районах, где GPS не работает или работает плохо, например, внутри зданий или городских каньонов . Локальное позиционирование с использованием вышек сотовой связи и вещания можно использовать на сотовых телефонах, не имеющих приемника GPS. Даже если в телефоне есть GPS-приемник, срок службы батареи будет увеличен, если точность определения местоположения вышки сотовой связи будет достаточной. Они также используются в безрельсовых аттракционах, таких как Hunny Hunt Пуха иМистическая усадьба .

Примеры существующих систем включают

Системы позиционирования внутри помещений оптимизированы для использования в отдельных комнатах, зданиях или строительных площадках. Обычно они имеют сантиметровую точность. Некоторые предоставляют 6-мерную информацию о местоположении и ориентации.

Примеры существующих систем включают

Они предназначены для работы только в ограниченном рабочем пространстве, обычно в несколько кубических метров, но могут обеспечивать точность в миллиметровом диапазоне или выше. Обычно они обеспечивают 6-мерное положение и ориентацию. Примеры приложений включают среды виртуальной реальности , инструменты выравнивания для компьютерной хирургии или радиологии, а также кинематографию ( захват движения , перемещение спичек ).

Примеры: Wii Remote с сенсорной планкой, Polhemus Tracker, решения для точного отслеживания движения InterSense. [6]

Высокопроизводительная система позиционирования используется в производственных процессах для плавного и точного перемещения объекта (инструмента или детали) с шестью степенями свободы по желаемой траектории, в желаемой ориентации, с высоким ускорением , высоким замедлением , высокой скоростью и малым временем установления . Он разработан, чтобы быстро останавливать свое движение и точно помещать движущийся объект в желаемое конечное положение и ориентацию с минимальным дрожанием.

Существует множество технологий для определения положения и ориентации объекта или человека в комнате, здании или в мире.

Системы времени пролета определяют расстояние, измеряя время распространения импульсных сигналов между передатчиком и приемником. Когда известны расстояния по крайней мере трех местоположений, четвертое положение может быть определено с помощью трилатерации . Глобальная система позиционирования является примером.

Оптические трекеры, такие как лазерные дальномеры, страдают от проблем с прямой видимостью, а на их работу отрицательно влияет окружающий свет и инфракрасное излучение. С другой стороны, они не страдают от эффектов искажения в присутствии металлов и могут иметь высокую частоту обновления из-за скорости света. [7]

Ультразвуковые трекеры имеют более ограниченный диапазон из-за потери энергии с пройденным расстоянием. Также они чувствительны к окружающему ультразвуковому шуму и имеют низкую частоту обновления. Но главное преимущество в том, что им не нужна прямая видимость.

Системы, использующие радиоволны, такие как Глобальная навигационная спутниковая система , не страдают от окружающего света, но по-прежнему нуждаются в прямой видимости.

Система пространственного сканирования использует (оптические) маяки и датчики. Можно выделить две категории:

Системы наизнанку, в которых маяк размещается в фиксированном положении в окружающей среде, а датчик - на объекте [8]
Снаружи в системах, где маяки находятся на цели, а датчики находятся в фиксированном положении в окружающей среде.

Направив датчик на маяк, можно измерить угол между ними. С помощью триангуляции можно определить положение объекта.

Основное преимущество инерциального зондирования является то , что она не требует внешней ссылки. Вместо этого он измеряет вращение с помощью гироскопа или положение с помощью акселерометра относительно известного исходного положения и ориентации. Поскольку эти системы измеряют относительные положения, а не абсолютные, они могут страдать от накопленных ошибок и, следовательно, подвержены дрейфу. Периодическая повторная калибровка системы обеспечит большую точность.

Этот тип системы слежения использует механические связи между эталоном и целью. Были использованы два типа связей. Один из них представляет собой сборку механических частей, каждая из которых может вращаться, что дает пользователю несколько возможностей вращения. Ориентация рычагов рассчитывается из различных углов рычагов, измеренных с помощью инкрементальных энкодеров или потенциометров. Другие типы механических соединений - это проволока, свернутая в бухты. Пружинная система обеспечивает натяжение проводов для точного измерения расстояния. Степени свободы, воспринимаемые трекерами с механической связью, зависят от строения механической конструкции трекера. Хотя чаще всего обеспечивается шесть степеней свободы, обычно возможен только ограниченный диапазон движений из-за кинематики шарниров и длины каждого звена.Кроме того, вес и деформация конструкции увеличиваются с удалением цели от эталона и накладывают ограничение на рабочий объем. [9]

Разность фаз системы измеряют сдвиг фазы входящего сигнала от излучателя на движущейся мишени по сравнению с фазой входящего сигнала от эталонного излучателя. С его помощью можно рассчитать относительное движение излучателя относительно приемника. Подобно инерционным чувствительным системам, системы разности фаз могут страдать от накопленных ошибок и, следовательно, подвержены дрейфу, но поскольку фаза может измеряться непрерывно, они могут генерировать высокие скорости передачи данных. Омега (система навигации) является примером.

Системы измерения прямого поля используют известное поле для определения ориентации или положения: простой компас использует магнитное поле Земли, чтобы узнать ее ориентацию в двух направлениях. [9] Инклинометр использует гравитационное поле Земли , чтобы знать свою ориентацию в оставшееся третьем направлении. Однако поле, используемое для позиционирования, не обязательно должно происходить от природы. Система из трех электромагнитов, расположенных перпендикулярно друг другу, может определять пространственную привязку. На приемнике три датчика измеряют составляющие потока поля, полученные в результате магнитной связи.. На основе этих мер система определяет положение и ориентацию приемника по отношению к эталону излучателей.

Системы оптического позиционирования основаны на оптических компонентах, например, в тахеометрах . [10]

Магнитное позиционирование - это решение IPS ( система позиционирования в помещении ), которое использует аномалии магнитного поля, типичные для помещений, за счет их использования в качестве отличительных подписей для распознавания места. Первое упоминание о позиционировании, основанном на магнитных аномалиях, можно проследить до военных применений в 1970 году. [11] Вместо этого впервые было заявлено об использовании аномалий магнитного поля для определения местоположения внутри помещений в статьях, посвященных робототехнике в начале 2000 года. [12] [13 ] ]

Самые последние приложения могут использовать данные магнитного датчика со смартфона для беспроводного определения местоположения объектов или людей внутри здания. [14]

В настоящее время не существует стандарта де-факто для IPS, однако магнитное позиционирование представляется наиболее полным и экономически эффективным [ ссылка ] . Он предлагает точность без каких-либо требований к оборудованию и относительно низкую совокупную стоимость владения [ необходима цитата ] . Согласно Opus Research, магнитное позиционирование станет «базовой» технологией определения местоположения внутри помещений. [15]

Гибридные системы [ редактировать ]

Поскольку у каждой технологии есть свои плюсы и минусы, в большинстве систем используется более одной технологии. Система, основанная на относительных изменениях положения, такая как инерциальная система, требует периодической калибровки по сравнению с системой с абсолютным измерением положения. Системы, сочетающие две или более технологий, называются гибридными системами позиционирования. [16]

Гибридные системы позиционирования - это системы для определения местоположения мобильного устройства с использованием нескольких различных технологий позиционирования. Обычно GPS ( глобальная система позиционирования ) является одним из основных компонентов таких систем, в сочетании с сигналами вышек сотовой связи, сигналами беспроводного Интернета, датчиками Bluetooth , IP-адресами и данными сетевой среды. [17]

Эти системы специально разработаны для преодоления ограничений GPS, который очень точен на открытых площадках, но плохо работает в помещении или между высокими зданиями ( эффект городского каньона ). Для сравнения, сигналам вышек сотовой связи не мешают здания или плохая погода, но они обычно обеспечивают менее точное позиционирование. Системы определения местоположения Wi-Fi могут давать очень точное определение местоположения в городских районах с высокой плотностью Wi-Fi и зависят от полной базы данных точек доступа Wi-Fi.

Гибридные системы позиционирования все больше изучается для некоторых гражданских и коммерческих услуг на основе определения местоположения и определения местоположения на основе средств массовой информации , которые должны хорошо работать в городских районах , для того , чтобы быть коммерчески и практически жизнеспособным.

Ранние работы в этой области включают проект Place Lab, который начался в 2003 году и перестал действовать в 2006 году. Более поздние методы позволяют смартфонам сочетать точность GPS с низким энергопотреблением при поиске точки перехода по идентификатору соты. [18]

Читайте также: