Système de positionnement - Positioning system

Un système de positionnement est un mécanisme permettant de déterminer la position d'un objet dans l' espace . Il existe des technologies pour cette tâche, allant de la couverture mondiale avec une précision métrique à la couverture de l'espace de travail avec une précision submillimétrique.

Couverture

Systèmes interplanétaires

Les systèmes de communication radio interplanétaire communiquent non seulement avec les engins spatiaux, mais ils sont également utilisés pour déterminer leur position. Le radar peut suivre des cibles près de la Terre, mais les engins spatiaux dans l'espace lointain doivent avoir un transpondeur fonctionnel à bord pour renvoyer un signal radio. Les informations d'orientation peuvent être obtenues à l'aide de suiveurs d'étoiles .

Systèmes mondiaux

Article principal: système mondial de navigation par satellite

Les systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS) permettent à des récepteurs radio spécialisés de déterminer leur position spatiale en 3D, ainsi que le temps, avec une précision de 2 à 20 mètres ou des dizaines de nanosecondes. Les systèmes actuellement déployés utilisent des signaux micro-ondes qui ne peuvent être reçus de manière fiable qu'à l'extérieur et qui couvrent la majeure partie de la surface de la Terre, ainsi que l'espace proche de la Terre.

Les systèmes existants et prévus sont :

Systèmes régionaux

Les réseaux d'émetteurs de positionnement terrestres permettent à des récepteurs radio spécialisés de déterminer leur position 2D à la surface de la Terre. Ils sont généralement moins précis que le GNSS parce que leurs signaux ne sont pas entièrement limités à la propagation en visibilité directe et qu'ils n'ont qu'une couverture régionale. Cependant, ils restent utiles à des fins spéciales et en tant que sauvegarde où leurs signaux sont reçus de manière plus fiable, y compris sous terre et à l'intérieur, et des récepteurs peuvent être construits qui consomment une très faible puissance de batterie. LORAN est un exemple d'un tel système.

Systèmes locaux

Un système de positionnement local ( LPS ) est un système de navigation qui fournit des informations de localisation par tous les temps, n'importe où dans la couverture du réseau, où il y a une ligne de vue dégagée vers trois ou plusieurs balises de signalisation dont la position exacte sur terre est connue .

Contrairement au GPS ou à d'autres systèmes mondiaux de navigation par satellite , les systèmes de positionnement local ne fournissent pas de couverture mondiale. Au lieu de cela, ils utilisent (un ensemble de) balises, qui ont une portée limitée, obligeant ainsi l'utilisateur à se trouver à proximité de celles-ci. Les balises comprennent des stations de base cellulaires , des points d'accès Wi-Fi et LiFi et des tours de diffusion radio .

Dans le passé, les LPS à longue portée ont été utilisés pour la navigation des navires et des aéronefs. Des exemples sont le Decca Navigator System et LORAN . De nos jours, les systèmes de positionnement local sont souvent utilisés comme technologie de positionnement complémentaire (et dans certains cas alternative) au GPS, en particulier dans les zones où le GPS n'atteint pas ou est faible, par exemple à l' intérieur des bâtiments ou des canyons urbains . Le positionnement local à l'aide de tours cellulaires et de diffusion peut être utilisé sur les téléphones cellulaires qui n'ont pas de récepteur GPS. Même si le téléphone est équipé d'un récepteur GPS, la durée de vie de la batterie sera prolongée si la précision de l'emplacement de la tour cellulaire est suffisante. Ils sont également utilisés dans des manèges sans piste comme Pooh's Hunny Hunt et Mystic Manor .

Des exemples de systèmes existants comprennent

Systèmes d'intérieur

Article principal: système de positionnement intérieur

Les systèmes de positionnement intérieur sont optimisés pour une utilisation dans des pièces individuelles, des bâtiments ou des chantiers de construction. Ils offrent généralement une précision centimétrique. Certains offrent 6-D emplacement et des informations d'orientation.

Des exemples de systèmes existants comprennent

Systèmes d'espace de travail

Ceux-ci sont conçus pour ne couvrir qu'un espace de travail restreint, généralement quelques mètres cubes, mais peuvent offrir une précision de l'ordre du millimètre ou mieux. Ils fournissent généralement une position et une orientation 6D. Des exemples d'applications incluent des environnements de réalité virtuelle , des outils d'alignement pour la chirurgie assistée par ordinateur ou la radiologie, et la cinématographie ( capture de mouvement , match Moving ).

Exemples : Télécommande Wii avec barre de détection, Polhemus Tracker, Solutions de suivi de mouvement de précision InterSense.

Haute performance

Le système de positionnement haute performance est utilisé dans les processus de fabrication pour déplacer un objet (outil ou pièce) en douceur et avec précision dans six degrés de liberté, le long d'un chemin souhaité, à une orientation souhaitée, avec une accélération élevée, une décélération élevée, une vitesse élevée et un temps de stabilisation faible . Il est conçu pour arrêter rapidement son mouvement et placer avec précision l'objet en mouvement à la position et à l'orientation finales souhaitées avec un minimum de tremblement.

Exemples : machines-outils à grande vitesse , balayage laser , liaison de fils , inspection de cartes de circuits imprimés , essais d'automatisation en laboratoire , simulateurs de vol

Les technologies

De multiples technologies existent pour déterminer la position et l'orientation d'un objet ou d'une personne dans une pièce, un bâtiment ou dans le monde.

Positionnement acoustique

Article détaillé : Positionnement acoustique

Temps de vol

Les systèmes de temps de vol déterminent la distance en mesurant le temps de propagation des signaux pulsés entre un émetteur et un récepteur. Lorsque les distances d'au moins trois emplacements sont connues, une quatrième position peut être déterminée à l'aide de la trilatération . Le système de positionnement global en est un exemple.

Les traqueurs optiques, tels que les traqueurs de télémétrie laser, souffrent de problèmes de ligne de visée et leurs performances sont affectées par la lumière ambiante et le rayonnement infrarouge. En revanche, ils ne souffrent pas d'effets de distorsion en présence de métaux et peuvent avoir des taux de mise à jour élevés en raison de la vitesse de la lumière.

Les traqueurs à ultrasons ont une portée plus limitée en raison de la perte d'énergie avec la distance parcourue. De plus, ils sont sensibles aux bruits ambiants ultrasonores et ont un faible taux de mise à jour. Mais le principal avantage est qu'ils n'ont pas besoin de ligne de mire.

Les systèmes utilisant des ondes radio tels que le système de navigation par satellite Global ne souffrent pas de la lumière ambiante, mais ont toujours besoin d'une ligne de mire.

Balayage spatial

Un système de balayage spatial utilise des balises (optiques) et des capteurs. Deux catégories peuvent être distinguées :

  • Systèmes à l'envers où la balise est placée à une position fixe dans l'environnement et le capteur est sur l'objet
  • À l'extérieur dans des systèmes où les balises sont sur la cible et les capteurs sont à une position fixe dans l'environnement

En dirigeant le capteur vers la balise, l'angle entre eux peut être mesuré. La triangulation permet de déterminer la position de l'objet.

Détection inertielle

Le principal avantage d'une détection inertielle est qu'elle ne nécessite pas de référence externe. Au lieu de cela, il mesure la rotation avec un gyroscope ou la position avec un accéléromètre par rapport à une position et une orientation de départ connues. Étant donné que ces systèmes mesurent des positions relatives au lieu de positions absolues, ils peuvent souffrir d'erreurs accumulées et sont donc sujets à des dérives. Un réétalonnage périodique du système fournira plus de précision.

Attelage mécanique

Ce type de système de poursuite utilise des liaisons mécaniques entre la référence et la cible. Deux types de liens ont été utilisés. L'un est un assemblage de pièces mécaniques qui peuvent chacune tourner, offrant à l'utilisateur de multiples capacités de rotation. L'orientation des tringleries est calculée à partir des différents angles de tringlerie mesurés avec des codeurs incrémentaux ou des potentiomètres. D'autres types de liaisons mécaniques sont des fils enroulés en bobines. Un système de ressort assure que les fils sont tendus afin de mesurer la distance avec précision. Les degrés de liberté détectés par les suiveurs à liaison mécanique dépendent de la constitution de la structure mécanique du suiveur. Alors que six degrés de liberté sont le plus souvent fournis, généralement, seule une gamme limitée de mouvements est possible en raison de la cinématique des articulations et de la longueur de chaque lien. Aussi, le poids et la déformation de la structure augmentent avec la distance de la cible à la référence et imposent une limite au volume de travail.

Différence de phase

Les systèmes de différence de phase mesurent le décalage de phase d'un signal entrant provenant d'un émetteur sur une cible mobile par rapport à la phase d'un signal entrant provenant d'un émetteur de référence. Avec cela, le mouvement relatif de l'émetteur par rapport au récepteur peut être calculé. débits de données élevés. Omega (système de navigation) en est un exemple.

Détection de champ directe

Les systèmes de détection de champ direct utilisent un champ connu pour dériver l'orientation ou la position : une simple boussole utilise le champ magnétique terrestre pour connaître son orientation dans deux directions. Un inclinomètre utilise le champ gravitationnel terrestre pour connaître son orientation dans la troisième direction restante. Le champ utilisé pour le positionnement n'a cependant pas besoin de provenir de la nature. Un système de trois électro-aimants placés perpendiculairement les uns aux autres peut définir une référence spatiale. Sur le récepteur, trois capteurs mesurent les composantes du flux de champ reçu suite au couplage magnétique . A partir de ces mesures, le système détermine la position et l'orientation du récepteur par rapport à la référence des émetteurs.

Systèmes optiques

Les systèmes de positionnement optique sont basés sur des composants optiques , comme dans les stations totales .

Positionnement magnétique

Cette section est un extrait de Positionnement magnétique . [ modifier ]

Le positionnement magnétique est une solution IPS ( système de positionnement intérieur ) qui tire parti des anomalies de champ magnétique typiques des environnements intérieurs en les utilisant comme signatures distinctives de reconnaissance de lieux. La première citation de positionnement basé sur une anomalie magnétique remonte à des applications militaires en 1970. L'utilisation d'anomalies de champ magnétique pour le positionnement intérieur a plutôt été revendiquée pour la première fois dans des articles liés à la robotique au début des années 2000.

Les applications les plus récentes peuvent utiliser les données de capteurs magnétiques d'un smartphone utilisé pour localiser sans fil des objets ou des personnes à l'intérieur d'un bâtiment.

Il n'existe actuellement aucune norme de facto pour l'IPS, mais le positionnement magnétique semble être le plus complet et le plus rentable. Il offre une précision sans aucune exigence matérielle et un coût total de possession relativement faible. Selon Opus Research, le positionnement magnétique deviendra une technologie de localisation intérieure « fondamentale ».

Systèmes hybrides

Parce que chaque technologie a ses avantages et ses inconvénients, la plupart des systèmes utilisent plusieurs technologies. Un système basé sur des changements de position relatifs comme le système inertiel nécessite un étalonnage périodique par rapport à un système avec mesure de position absolue. Les systèmes combinant deux ou plusieurs technologies sont appelés systèmes de positionnement hybrides.

Les systèmes de positionnement hybrides sont des systèmes permettant de localiser un appareil mobile à l'aide de plusieurs technologies de positionnement différentes. Habituellement, le GPS ( Global Positioning System ) est un composant majeur de ces systèmes, combiné aux signaux des tours de téléphonie cellulaire, aux signaux Internet sans fil, aux capteurs Bluetooth , aux adresses IP et aux données d'environnement réseau.

Ces systèmes sont spécifiquement conçus pour surmonter les limitations du GPS, qui est très précis dans les zones ouvertes, mais fonctionne mal à l'intérieur ou entre des bâtiments de grande hauteur (l' effet canyon urbain ). En comparaison, les signaux des tours cellulaires ne sont pas gênés par les bâtiments ou le mauvais temps, mais fournissent généralement un positionnement moins précis. Les systèmes de positionnement Wi-Fi peuvent donner un positionnement très précis, dans les zones urbaines à forte densité Wi-Fi - et dépendent d'une base de données complète de points d'accès Wi-Fi.

Les systèmes de positionnement hybrides sont de plus en plus explorés pour certains services et médias de localisation civils et commerciaux , qui doivent bien fonctionner dans les zones urbaines pour être commercialement et pratiquement viables.

Les premiers travaux dans ce domaine incluent le projet Place Lab, qui a débuté en 2003 et est devenu inactif en 2006. Les méthodes ultérieures ont permis aux smartphones de combiner la précision du GPS avec la faible consommation d'énergie de la recherche de point de transition d'identification de cellule.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires