測位システム

測位システムは、宇宙空間における物体の位置を決定するシステムである。^[1]測位システム技術には、惑星間をカバーするメートル精度のものから、作業スペースや実験室をカバーするミリメートル未満の精度のものまで存在する。主要なサブクラスは、地球に対する物体の位置、すなわち地理的位置を決定するために使用される地理測位システムで構成されており、最もよく知られ、一般的に使用されている地理測位システムの1つは、全地球測位システム（GPS）と類似の全地球航法衛星システム（GNSS）である。

カバレッジ

惑星間システム

惑星間無線通信システムは宇宙船と通信するだけでなく、宇宙船の位置を決定するためにも使用されます。レーダーは地球近くの目標を追跡できますが、深宇宙の宇宙船には無線信号をエコーバックするための機能的なトランスポンダーが搭載されている必要があります。方向情報はスタートラッカーを使用して取得できます。

グローバルシステム

全地球航法衛星システム(GNSS) により、特殊な無線受信機は 2 ～ 20 メートルまたは数十ナノ秒の精度で 3D 空間の位置と時間を特定できます。現在配備されているシステムは、屋外でのみ確実に受信でき、地球表面のほとんどと地球近傍空間をカバーするマイクロ波信号を使用します。

既存および計画中のシステムは次のとおりです。

全地球測位システム- 1995年から完全に運用されている米国の軍事システム
GLONASS – ロシアの軍事システム、2011年10月から完全に運用されている
ガリレオ– 欧州共同体、2019年12月から完全運用開始
北斗ナビゲーションシステム– 中国、2020年6月から全面運用開始
インド地域航法衛星システム– インドで計画されているプロジェクト

地域システム

地上の測位送信機のネットワークにより、特殊な無線受信機は地球表面上の 2 次元位置を判定できます。これらの受信機の信号は見通し内伝播に完全に制限されておらず、カバー範囲も地域限定であるため、一般的に GNSS より精度は低くなります。ただし、地下や屋内など、信号がより確実に受信される場所では、特殊な目的やバックアップとして有用であり、非常に低消費電力の受信機を構築できます。LORANは、このようなシステムの一例です。

ローカルシステム

ローカルポジショニングシステム（LPS ）は、地球上の正確な位置がわかっている3つ以上の信号ビーコンへの遮るもののない視線があるネットワークの範囲内であれば、あらゆる天候で位置情報を提供するナビゲーションシステムです。^[2]^[3]^[4]^[5]

GPSやその他のグローバルナビゲーション衛星システムとは異なり、ローカルポジショニングシステムは、グローバルなカバレッジを提供しません。代わりに、範囲が限定されているビーコンを使用するため、ユーザーはビーコンの近くにいる必要があります。ビーコンには、携帯電話基地局、Wi-FiおよびLiFiアクセスポイント、ラジオ放送塔などがあります。

過去には、長距離 LPS が船舶や航空機のナビゲーションに使用されていました。例としては、デッカナビゲーターシステムやLORAN があります。今日では、ローカルポジショニングシステムは、特に建物内や都市の谷間など、GPS が届かないか弱いエリアで、GPS の補完的な (場合によっては代替の) 測位技術としてよく使用されます。携帯電話や放送塔を使用したローカルポジショニングは、GPS 受信機のない携帯電話でも使用できます。電話に GPS 受信機があっても、携帯電話塔の位置精度が十分であれば、バッテリー寿命が延びます。これらは、プーさんのハニーハントやミスティックマナーなどのトラックレスアミューズメントライドでも使用されています。

既存のシステムの例としては、

屋内システム

屋内測位システムは、個々の部屋、建物、または建設現場での使用に最適化されています。通常、センチメートル単位の精度を提供します。6Dの位置と方向の情報を提供するシステムもあります。

既存のシステムの例としては、

アクティブバット

ワークスペースシステム

これらは、通常数立方メートルの限られた作業スペースのみをカバーするように設計されていますが、ミリメートル単位以上の精度を提供できます。通常、6D の位置と方向を提供します。アプリケーションの例には、仮想現実環境、コンピューター支援手術または放射線学の位置合わせツール、映画撮影 (モーションキャプチャ、マッチムービング) などがあります。

例:センサーバー付きWiiリモコン、Polhemus Tracker、Precision Motion Tracking Solutions InterSense。 ^[6]

高性能

高性能位置決めシステムは、製造プロセスで使用され、高加速、高減速、高速度、短い整定時間で、目的のパスに沿って目的の方向に 6 自由度でオブジェクト (ツールまたは部品) をスムーズかつ正確に移動させます。このシステムは、動きを素早く停止し、移動オブジェクトを最小限のジッタで目的の最終位置と方向に正確に配置できるように設計されています。

例: 高速工作機械、レーザースキャン、ワイヤボンディング、プリント基板検査、ラボ自動化分析、フライトシミュレータ

テクノロジー

部屋、建物、または世界内の物体または人物の位置と向きを決定するためのテクノロジは複数存在します。

音響測位

飛行時間

飛行時間システムは、送信機と受信機の間のパルス信号の伝播時間を測定して距離を決定します。少なくとも 3 つの場所の距離がわかっている場合は、三辺測量を使用して 4 番目の位置を決定できます。GPSはその一例です。

レーザー測距トラッカーなどの光学式トラッカーは視線の問題があり、その性能は周囲の光や赤外線の影響を受けます。一方、金属の存在による歪みの影響を受けず、光速のため更新速度を高くすることができます。^[7]

超音波トラッカーは、移動距離に応じてエネルギーが失われるため、範囲が限られています。また、超音波の周囲ノイズに敏感で、更新レートも低くなります。しかし、主な利点は、視線を必要としないことです。

全地球航法衛星システムなどの電波を使用するシステムは、周囲の光の影響を受けませんが、それでも視線が必要です。

空間スキャン

空間スキャンシステムは (光学) ビーコンとセンサーを使用します。次の 2 つのカテゴリに分けられます。

インサイドアウトシステムでは、ビーコンは環境内の固定位置に配置され、センサーは物体上に設置される^[8]
ビーコンがターゲット上にあり、センサーが環境内の固定位置にあるアウトサイドインシステム

センサーをビーコンに向けると、それらの間の角度を測定できます。三角測量により、物体の位置を特定できます。

慣性センシング

慣性センシングの主な利点は、外部基準を必要としないことです。代わりに、既知の開始位置と方向に対して、ジャイロスコープで回転を測定したり、加速度計で位置を測定します。これらのシステムは絶対位置ではなく相対位置を測定するため、累積誤差の影響を受け、ドリフトの影響を受けます。システムを定期的に再調整すると、精度が向上します。

機械的連結

このタイプの追跡システムでは、基準とターゲットの間に機械的リンクを使用します。2 種類のリンクが使用されています。1 つは、それぞれが回転できる機械部品のアセンブリで、ユーザーに複数の回転機能を提供します。リンクの方向は、増分エンコーダまたはポテンショメータで測定されたさまざまなリンク角度から計算されます。他の種類の機械的リンクは、コイル状に巻かれたワイヤです。スプリングシステムにより、ワイヤが張られ、距離を正確に測定できます。機械的リンクトラッカーによって感知される自由度は、トラッカーの機械構造の構成によって異なります。6 つの自由度が提供される場合が最も多いですが、通常は、関節の運動学と各リンクの長さのため、限られた範囲の動きしかできません。また、重量と構造の変形は、基準からターゲットまでの距離に応じて増加し、作業容積に制限が課せられます。^[8]

位相差

位相差システムは、移動ターゲット上のエミッターからの入力信号の位相のずれを、基準エミッターからの入力信号の位相と比較して測定します。これにより、受信機に対するエミッターの相対的な動きを計算できます。

慣性センシングシステムと同様に、位相差システムも累積誤差の影響を受け、ドリフトの影響を受けますが、位相を継続的に測定できるため、高いデータレートを生成できます。オメガ (ナビゲーションシステム)がその一例です。

直接フィールドセンシング

直接磁場検知システムは、既知の磁場を使用して方位や位置を導き出します。単純なコンパスは、地球の磁場を使用して2 方向の方向を認識します。^[8]傾斜計は、地球の重力場を使用して残りの 3 番目の方向の方向を認識します。ただし、位置決めに使用する磁場は、自然界に由来する必要はありません。互いに垂直に配置された3 つの電磁石のシステムにより、空間基準を定義できます。受信機では、3 つのセンサーが磁気結合の結果として受信した磁場の磁束の成分を測定します。これらの測定値に基づいて、システムは送信機の基準に対する受信機の位置と方向を決定します。

光学システム

光学式測位システムはトータルステーションなどの光学部品をベースにしている。^[9]

磁気位置決め

磁気測位は、屋内に特有の磁場異常を特徴的な場所認識シグネチャとして利用するIPS（屋内測位システム）ソリューションです。磁気異常に基づく測位の最初の引用は、1970年の軍事用途にまで遡ります。 ^[10]屋内測位における磁場異常の使用は、2000年初頭のロボット工学関連の論文で初めて主張されました。^[11]^[12]

最近のアプリケーションでは、スマートフォンの磁気センサーデータを活用して、建物内の物体や人をワイヤレスで位置特定することができます。^[13]

Opus Researchによると、磁気測位は「基礎的な」屋内位置測定技術として登場するだろう。^[14]

ハイブリッドシステム

どの技術にも長所と短所があるため、ほとんどのシステムでは複数の技術が使用されています。慣性システムのような相対的な位置の変化に基づくシステムは、絶対的な位置測定を行うシステムとの定期的な校正が必要です。2つ以上の技術を組み合わせたシステムは、ハイブリッド測位システムと呼ばれます。^[15]

ハイブリッド測位システムは、複数の異なる測位技術を使用してモバイルデバイスの位置を特定するシステムです。通常、GPS（全地球測位システム）は、携帯電話基地局信号、無線インターネット信号、 Bluetoothセンサー、IPアドレス、ネットワーク環境データと組み合わされた、このようなシステムの主要コンポーネントの1つです。 ^[16]

これらのシステムは、特に GPS の限界を克服するために設計されています。GPS は、開けた場所では非常に正確ですが、屋内や高層ビルの間 (都市の峡谷効果) ではうまく機能しません。これに比べて、携帯電話基地局の信号は、建物や悪天候によって妨げられることはありませんが、通常は精度の低い測位を提供します。Wi -Fi 測位システムは、Wi-Fi 密度の高い都市部では非常に正確な測位を提供できますが、Wi-Fi アクセスポイントの包括的なデータベースに依存します。

ハイブリッド測位システムは、商業的かつ実用的に実現可能となるために都市部でうまく機能する必要がある、特定の民間および商用の位置情報サービスや位置情報メディア向けにますます検討されています。

この分野における初期の研究には、2003年に始まり2006年に休止したPlace Labプロジェクトがある。その後の手法では、スマートフォンでGPSの精度とセルID遷移点検出の低消費電力を組み合わせることができるようになった。^[17] 2022年には、既存の通信ネットワークを使用してGPSよりも高解像度の衛星不要の測位システムSuperGPSが実証された。^[18]^[19]

参照

参考文献

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さらに読む

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[1] 「ポジショニングシステム」。MLGT : 権威ある多言語地理情報用語データベース。2020-06-02。

[2] ヒジェルム、ヨハン;コロジェジ、クシシュトフ W. (2006)。ローカル測位システム LBS アプリケーションとサービス([Online-Ausg.] 版)。フロリダ州ボカラトン: CRC/テイラー&フランシス。ISBN 978-0-8493-3349-1。

[3] Kyker, R (1995年11月7日～9日)。ローカルポジショニングシステム。WESCON'95議事録。p. 756。doi : 10.1109 / WESCON.1995.485496。ISBN 978-0-7803-2636-1. S2CID 30451232。

[4] 米国特許 20040056798、「ローカル測位システム」、Gallitzin Allegheny に譲渡

[5] 米国特許6748224、「ローカルポジショニングシステム」、ルーセントに譲渡

[6] 「InterSense | 高精度モーショントラッキングソリューション | ホーム」www.intersense.com 。 2018年9月30日閲覧。

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