Föreläsning 10 - Positioneringssystem Varför positionering? Hur beskriver man en position? Vilka typer av system och metoder finns för att beräkna positionen? (Exempel på hur man beräknar en position) Exempel inom logistik Laboration David Gundlegård, ITN 1
Varför positionering? Positionen adderar värde till många tjänster och system Nödsamtal Sökfunktioner Fler exempel exempel Navigering Kollisionsvarning Trafikledning Stöd för inflygning Ruttplanering Spårning av gods Fleet management Informationsdelning David Gundlegård, ITN Sid 2
Hur beskriver man en position? För att förstå positionen beskriver man den relativt något känt Gula huset bredvid Posten Mer generellt behöver vi ett referenssystem Koordinatsystem (origo, skala & orientering) Datum (Modell av jorden, storlek och form) Eventuell projektion (om visas på 2D-karta) David Gundlegård, ITN 3
Koordinatsystem (1) x Kartesiska koordinater y x y sr sin 2 2 2 tan rcos x y r y x Polära koordinater r David Gundlegård, ITN Sid 4
Koordinatsystem (2) Latitud och longitud är vinklar och mäts i: Grader. Minuter. Sekunder (DMS) eller Grader. Decimalgrader (DD) 1 grad = 60 min = 3600 s Geodetisk höjd (över ellipsoiden) David Gundlegård, ITN Sid 5
Geodetiska koordinater David Gundlegård, ITN Sid 6
Hur bestämma sin position? Använd referenspunkter! Positionsberäkning relativt kända referenspunkter Avstånd & riktning Vågbaserad positionering Använd kända egenskaper hos (elektromagnetiska) vågor för att avgöra avstånd och riktning David Gundlegård, ITN Sid 7
Elektromagnetisk Vågutbredning Utbredningshastighet 299.792.458 m/s in vacuum Beror på mediets densitet samt frekvensen Refraktion Dämpning Flervägsutbredning Reflektion, diffraktion och spridning Dopplerskift f d v cos Riktantenner David Gundlegård, ITN Sid 8
Utbredning vid jordytan Skuggning (objekt > våglängd) Reflektion (objekt > våglängd) Refraktion (förändring av mediets densitet) Spridning (objekt ~ våglängd) Diffraktion (objekt ~ våglängd) skuggning reflektion refraktion spridning diffraktion David Gundlegård, ITN Sid 9
Prestandamått Noggrannhet och precision Timing Täckning Kostnad Skalbarhet och overhead Vilka egenskaper är viktigast för en specifik tillämpning? David Gundlegård, ITN Sid 10
Klassificering av positioneringssystem Satellit-, markbaserad/cellulär och inomhusinfrastruktur Terminal- och nätverksbaserad Själv- och fjärrpositionering Multi- och unilaterala Integrerad och dedikerad infrastruktur Inomhus- och utomhuspositioniering David Gundlegård, ITN Sid 11
Typ av infrastruktur (I) Satellit-, markbaserad/cellulär och inomhusinfrastruktur David Gundlegård, ITN 12
Var positionen beräknas Terminalbaserad Terminalen utför mätning och beräkning GPS, GALILEO, VOR, NDB. LORAN Nätverksbaserad Nätverket utför mätning och beräkning MLAT, viss mobilpositionering Terminalassisterad Terminalen utför mätningar för att assistera nätverket WiFi och mobilpositionering, Secondary Surveillance Radar (SSR) Nätverksassisterad Nätverket utför mätningar för att assistera terminalen Distance Measurement Equipment (DME) David Gundlegård, ITN 13
Vem ska ha positionen Självpositionering Positionering av den egna plattformen Exempel? Fjärrpositionering Positionering av andra objekt Exempel? Indirekt självpositionering Positionen skickas till objektet WiFi-positionering Indirekt fjärrpositionering Positionen skickas från objektet Automatic dependent surveillance-broadcast (ADS-B) David Gundlegård, ITN 14
Vem skickar signalen för positionering Unilateralt system En terminal lyssnar på signaler från flera referensstationer Exempel? Multilateralt system Flera referensstationer lyssnar på en signal från en terminal Exempel? David Gundlegård, ITN 15
Typ av infrastruktur (II) Integrerad och dedikerad infrastruktur David Gundlegård, ITN 16
Typ av positionering Utom- och inomhuspositionering - varför skilja de två åt? Metoderna bygger på samma teknik Utomhuspositionering Satellitbaserade system funkar! Inomhuspositionering Satellitbaserade system funkar oftast inte David Gundlegård, ITN 17
Positioneringsmetoder Närhetsavläsning (proximity sensing) Laterering Angulering Mönsterigenkänning Död räkning Kartmatchning Hybrider av ovan Mer om detta på nästa föreläsning David Gundlegård, ITN Sid 18
Närhetsavläsning Eng. Proximity sensing, Signpost system Vilken referensstation är närmast? Transpondrar placerade på strategiska platser Transpondern skickar ut ett id En mottagare i ex.vis ett fordon detekterar signalen och kan avgöra vilken transponder den är nära (självpositionering) Om mottagaren reflekterar signalen och skickar med mottagarid kan fjärrpositionering utföras Exempel: ILS markör-fyrar, Cell-ID för positionering av mobiltelefoner Täckning VS noggrannhet David Gundlegård, ITN Sid 19
Lateration Cirkulär lateration A.k.a. Time of arrival (TOA) Mäter avståndet till kända referenspunkter Kräver synkronisering mellan mottagare och referenspunkt Tre korrekt uppmätta avstånd ger en unik position i 2 dimensioner David Gundlegård, ITN Sid 20
Lateration Hyperbolisk lateration A.k.a. Time Difference of Arrival (TDOA) Mottagaren mäter tidsskillnaden mellan referensstationer Ingen synkronisering av mottagaren krävs Kräver istället synkronisering av referensstationer Minst två par av referensstationer krävs för unik position i 2D d ij r i r j X x 2 Y y 2 Z z 2 X x 2 Y y 2 Z z 2 i i i j j j David Gundlegård, ITN Sid 21
Angulering A.k.a. Angle of Arrival (AOA) Med två eller fler vinklar alternativt vinkel + avstånd till kända referensstationer kan en unik position beräknas i 2D Kräver specialantenner eller information om utsänd vinkel Triangulering Liknar AOA Ursprungligen: t.ex. avstånd till land baserat på sinuslagen Ibland använt som samlingsnamn för latereringsoch anguleringsmetoder David Gundlegård, ITN Sid 22
Mönsterigenkänning A.k.a. Scene analysis, Fingerprinting eller Database correlation method (DCM) Jämför ett uppmätt signalmönster (signatur) med ett fördefinierat mönster (typiskt tidigare uppmätt) Signalstyrka Magnetfält Bilder David Gundlegård, ITN Sid 23
Död räkning Riktning, hastighet och acceleration mäts med lokala sensorer Accelerometers (acceleration) Odometers (avstånd) Gyroscopes (rotationshastighet) Kan användas för positionering Kräver startpunkt Driftproblem Kombineras med absolut positionering David Gundlegård, ITN Sid 24
Kartmatchning En karta kan innehålla information om möjliga positioner Exempelvis vägnät Point-to-point Point-to-curve Curve-to-curve Online VS offline Används oftast för att förbättra position Kan ibland användas som absolut positionering David Gundlegård, ITN Sid 25
Kombinationer Vanliga kombinationer GPS + död räkning Vinkel + avstånd (VOR + DME) Mönsterigenkänning + annan teknik för att minska sökområdet GPS + GSM/WiFi som backup Snart GPS + Galileo David Gundlegård, ITN Sid 26
Positioneringssystem Positioningssystem VS Kommunikationssystem Dedikerade positioneringssystem Global Positioning System (GPS) / Glonass Loran-C / Chayka VOR/NDB ILS/MLS MLAT GALILEO Communication systems GSM UMTS (3G) WLAN ZigBee UWB Inmarsat.. Combined David Gundlegård, ITN Sid 27
Positioneringssystem GPS, Galileo, VOR, NDB, DME, ILS, MLS, MLAT, GSM, UMTS, WLAN, RFID, Bluetooth, UWB Signalegenskaper Bandbredd Modulation Synkroniseringssignal Frekvensband Multiple Access CDMA: hörbarhet FDMA: simultana mätningar Infrastruktur Signalering David Gundlegård, ITN Sid 28
Avståndsmätningar Baserad på utbredningstid En-vägs eller två-vägs synkronisering? David Gundlegård, ITN Sid 29
Avståndsmätningar Baserad på signalstyrka Enkelt att mäta Inkluderat i alla kommunikationssystem Problem: stora variationer pga flervägsutbredning Utbredning i fri rymd (cirklar) Utbredningsmodell Loss d där d = avstånd och ~2-6 beror på radiomiljön Utbredningsmodell kopplad till terrängen (GIS) Andra vanliga empiriska modeller: Okumura-Hata and Cost 231 k David Gundlegård, ITN Sid 30
Vinkelmätningar Bygger på att man kan avgöra riktningen på inkommande signal Eller att den informationen skickas med i signalen (VOR) Kräver en array av antenner Med riktantenner kan även en kraftigt riktad signal skickas Uppfattas bara om man har en viss riktning från referenspunkten (ILS) David Gundlegård, ITN Sid 31
Exempel Fleet Management-system WPAN GPRS Förarhytt Lastutrymme Webbserver Geo database Backend system Förarhytt Lastutrymme Förarhytt Lastutrymme GeoCell AB - 2011
Exempel Geofencing Uppmärksamma positioneringshändelser baserade på geografiskt område Förberedelse för lastning och lossning Proaktiv styrning av fordonsflotta Mottagaravisering och uppföljning Varna vid ruttavvikelse 33
System för Geofencing Application Server Location data process Internet Locations Geofencing process Geofencing Events Location data storage Geofencing rules Laboration Geofencing Mål: förstå hur ett system för Geofencing är uppbyggt och fungerar Enkelt java-program för att simulera positioner från en mobil enhet Lägg till regler för geofencing i geodatabas Köra geofencing-processen 34
Litteratur Böcker Location based services Fundamentals and Operation, Axel Küpper Wireless positioning Technologies and applications, Alan Bensky Local Positioning Systems LBS Applications and Services, Krzysztof W. Kolodziej, Johan Hjelm (e-book available in LiU library) Rapport Cellular Location Technology, Heikki Laitinen et. Al Artikel Geofencing for Fleet & Freight Management, F. Reclus, K. Drouard (IEEE X-plore) David Gundlegård, ITN Sid 35