ÚVOD DO INTELIGENTNÍCH DOPRAVNÍCH SYSTÉMŮ K620 – ÚSTAV DOPRAVNÍ TELEMATIKY ČVUT FD, Konviktská 20, Praha 1 12. března 2014 Navigační a lokalizační systémy.

Prezentace na téma: "ÚVOD DO INTELIGENTNÍCH DOPRAVNÍCH SYSTÉMŮ K620 – ÚSTAV DOPRAVNÍ TELEMATIKY ČVUT FD, Konviktská 20, Praha 1 12. března 2014 Navigační a lokalizační systémy."— Transkript prezentace:

1 ÚVOD DO INTELIGENTNÍCH DOPRAVNÍCH SYSTÉMŮ K620 – ÚSTAV DOPRAVNÍ TELEMATIKY ČVUT FD, Konviktská 20, Praha 1 12. března 2014 Navigační a lokalizační systémy Pavel Hrubeš hrubes@fd.cvut.cz

2 2 Navigační systémy Obsah přednášky  Referenční model země Mapy  Určení polohy Sledování a zápis změny polohy v čase  Měření směru pohybu  Měření rychlosti pohybu  Moderní lokalizační techniky  Uživatelský segment satelitních navigací  Vozidlová navigace Datový model ADAS aplikace

3 3 Navigační systémy Jak se měřila Země? ?

4 4 Navigační systémy Země jako deska  Thalés z Milétu, 6. stol. BC Země pluje na oceánu Obloha je koule

5 5 Navigační systémy Země je koule  Pýthagorás se Samu, 6. stol. BC Země je koule  Aristotelés ze Stageiry, 4. stol. BC Stín Země je kulatý Loď se vynořuje zpoza obzoru Směrem na sever výška slunce klesá

6 6 Navigační systémy Zpřesňování měření  Eratosthenés Kyrénský, 3. stol. BC Obvod Země 250 tisíc stadiónů Poloměr 6300 km  Archimédés ze Syrákús, 3. stol. BC Obvod Země 300 tisíc stadiónů Poloměr 7500 km  Poseidonios ze Rhodu, 2. stol. BC Obvod Země 180 tisíc stadiónů Poloměr 4500 km Ptolemaios + Kolumbus Hvězda Canopus na Rhodu se dotýká obzoru v Alexandrii je o 7.5 o výše 5000 stadiónů Země sluneční paprsky 7.2 o normála Alexandrie Syena 7.2 o R  5000 * 360 o / 7.2 o  250 000

7 7 Navigační systémy Historie map  První mapa (možná) Pavlovské vrchy cca 24 000 př. n. l  Půdorysně zobrazuje v měřítku blízkém 1:25.000 meandrující řeku Dyji a nad ní se tyčící Pavlovské vrchy, pod jejichž příkrými svahy (krátké šrafy ve směru sklonu svahu) je u řeky znázorněno ono tábořiště (dvěma soustřednými kružnicemi)

8 8 Navigační systémy Záznamy o Zemi  Herodotos z Helikarnasu, 450 BC zapsal vzdálenosti mezi antickými městy

9 9 Navigační systémy Zeměpisné souřadnice  Hipparchos z Nikáie, 2. stol. BC zavádí poledníky a rovnoběžky nultý poledník přes Rhodos  Ptolemaios z Alexandrie, 2. stol. BC nultý poledník Ferro (Kanárské ostrovy) zeměpisná délka zem. šířka FerroRhodos

10 10 Navigační systémy První glóbus  Kratés z Mallu 150 BC glóbus

11 11 Navigační systémy Historie map  Evropské středověké mapy Pásmové Oválné Kruhové Portulánové (kompasové)

12 12 Navigační systémy Středověk  Al-Mamún, 9. stol. změřil délku jednoho stupně 56 2/3 arabské míle obvod Země 40 tisíc km  Al-Birúní, 11. stol. pokles horizontu obvod Země 45 tisíc km R  2h/  2

13 13 Navigační systémy  Martin Behaim (lat. Martinus de Bohemia) 1492 vyrobil zemský glóbus Mapa světa před Kolumbem

14 14 Navigační systémy Mapová projekce  1512 – 1584 Gerardus Mercator: výrazný posun v projekci map, používá nové zobrazení a síť geografických souřadnic

15 15 Navigační systémy Triangulace k měření Země  Willebrord Snellius, 16. stol. d   b a A B triangulační body a=d.sinα/sin(α+β) b=d.sinβ/sin(α+β) základna X

16 16 Navigační systémy Základ současného modelu Země  Zemský povrch  Geoid - klidná střední hladina moří, která jsou spojená i pod kontinenty. Tato hladinová plocha je všude kolmá na směr zemské tíže.  Elipsoid je rotační těleso zploštělé na pólech. Je určen dvěma konstantami elipsoidu: např. a – hlavní poloosa elipsoidu, b – vedlejší poloosa elipsoidu, e 2 – první excentricita, i –zploštění

17 17 Navigační systémy Referenční plocha WGS 84  kartézský souřadnicový systém WGS-84 je definován geometrickými a dynamickými parametry  Geometrické parametry elipsoidu WGS-84: a … hl. poloosa [m], f … zploštění nebo a … hl. poloosa [m] a b … vedl. poloosa [m]  Dynamické parametry: ω … úhlová rychlost rotace Země [rad s-1], J2 … Stokesův zonální koeficient 2. stupně a GM … geocentrická gravitační konstanta [m3s-2] Číselné hodnoty souřadnic v [m]: X = 3 920 890,225 Y = 1 182 869,142 Z = 4 874 664,898

18 18 Navigační systémy Určení polohy na povrchu země rovník Greeenwichský poledník

19 19 Navigační systémy Jak se určuje poloha? ?

20 20 Navigační systémy  Kamal – úhel polárky v přístavu zaznamenán uzlem (stačí plout po šířce a dopluji do přístavu) – arábie  Námořnický astroláb (od 200 BC) – pouze kruh a „ukazovátko“ – měřím úhel který svírá objekt s horizontem, poměřuji s tabulkami známého úhlu objektu (většinou slunce v nejvyšším bodu své dráhy) a přepočítávám na lokální zeměpisnou šířku Měření zemské šířky

21 21 Navigační systémy  Jakubova hůl (cross staff / 1100 AD) měřím úhel, dívám se jak na horizont tak i na měřený objekt (složité, nepraktické - oslnění)  Davisův kvadrant (back staff / 1590 AD) měřím úhel, zády k slunci hýbu pohyblivým ramenem vrhajícím stín na otvor přes který vidím horizont (pozice ramene dává úhel). Na obrázku vylepšený model (problém s málo jasnými objekty) Měření zemské šířky

22 22 Navigační systémy  Kvadrant (1450 AD) – měřím úhel, pouze ¼ kruhu, závaží s provázkem udává úhel  Oktant (1731 AD) – měřím úhel, pouze 1/8 kruhu, sestava zrcátek, přes průhledné vidím horizont, druhé připevněné k otočnému ramenu kterým určuji úhel, chci vidět nebeský objekt v zrcátku  Sextant (1759 AD) – měřím úhel, 1/6 kruhu, používá se dodnes velmi přesný Sextant (1759 AD) Měření zemské šířky

23 23 Navigační systémy Měření zemské délky  1 hodina = 15° stupňů zemské délky, (1° na rovníku ~ 390 km)  Znám lokální čas (například poledne, změřený podle nejvyššího bodu dráhy slunce), znám domácí čas díky přesným hodinám  Rozdíl je úměrný stupňům zemské délky  Hodiny používané při navigaci ANO: Sluneční (Vikingové) ANO: Přesýpací (až do 17. století) NE: Mechanické, vodní NE: Hvězdné hodiny (astroláb) – lokální mapa oblohy – výměnné disky podle polohy,

24 24 Navigační systémy Měření zemské délky  Nokturnal - měřím vzdálenost severky od hvězd ve velkém voze po korekci na den odečítám hodiny dané svíraným úhlem  Měsíční metoda – Měření sextantem za použití almanachu měřím vzdálenost mezi měsícem a vybranou hvězdou, provádím korekce na refrakci a paralaxu a z almanachu zjišťuji čas na nultém poledníku.  http://en.wikipedia.org/wiki/Lunar_distance_(navigation) http://en.wikipedia.org/wiki/Lunar_distance_(navigation)

25 25 Navigační systémy Měření zemské délky Hodiny (první mechanické hodiny v Evropě cca 1275)  R 1475 první hodiny poháněné pružinou  R 1580 plán hodin řízených kyvadlem (Galileo Galilei)  R 1675 (huygens) hodiny s nepokojem – teplotně nestabilní  R. 1714 nabídla britská vláda 20 000 liber (2 mil $) vynálezci přesných hodin (denní odchylka max. 3 s)  R. 1762 první přesný chronometr (John Harrison). – teplotní kompenzace pomocí bimetalových pásků  J. Cook na 2. výpravě (1772-75) používá kopii těchto hodin, na první výpravě (1768-71) používal měsíční metodu – měl námořní almanach, první vydání 1767) (ještě ~100 let dost drahé, používá se lunární metoda)

26 26 Navigační systémy Měření zemské délky  První přesné hodiny (J. Harrison) vyrobeno r. 1762  První hodiny stály až 30% ceny lodi, do začátku 19. stol cena klesla na 25-100 liber (1/2 - 2 roční plat dělníka)  V 19. stol plně nahradily měsíční metodu  1889 AD – ½ volné kyvadlo  1921 AD – volné kyvadlo Shorrtovy hodiny  1930 – řídící krystal  1949 – atomové hodiny (resonance atomu čpavku)  1957 – cesiové atomové h.  1967 – časový standard

27 27 Navigační systémy Měření směru a rychlosti Mechanický kompas První navigační systém Čína ?2600 BC  Používal „diferenční odometr“ tak, aby figura ukazovala stále na jih (či někam jinam)  Další čínský vynález (~?2600 BC) používal 2 figury bubnující po ujetí určité vzdálenosti do bubínků (jedna bubnovala po ujetí každé jednotky (li) a druhá po ujetí deseti jednotek) Podobný systém použit v automobilech v USA na začátku 20 století  odometr k určení ujeté vzdálenosti a vydávaly příkazy po ujetí předem nastavené vzdálenosti (podle předem nastaveného plánu) – instrukce ve formě předtištěných textů

28 28 Navigační systémy Měření směru a rychlosti  Magnetický kompas  První zmínky o kompasech z Číny přibližně 200 BC Si Nan (lžíce) Ryba Želva

29 29 Navigační systémy Měření směru a rychlosti  Kompasy 12- 13 AD a novější

30 30 Navigační systémy Měření směru a rychlosti  Měření rychlosti lodi okem (dle vzdutí vlny na přídi)  „lano s kládou“ s uzly po 7 sázích (1 sáh 1,83 m). Měřil se počet uzlů za ½ minuty = rychlost v „uzlech“ (počet pozemních mil za hodinu)  Měření času – přesýpací hodiny  Směr a rychlost se zapisovaly na konci každé ½ hodiny až do konce hlídky (4h) na speciální tablo

31 31 Navigační systémy Lokalizační techniky  inerciální navigace je proces, při kterém se za pomoci inerciálních senzorů, jako jsou gyroskopy a akcelerometry provádí měření, jehož hodnoty slouží pro výpočet postupného pohybu zařízení (vozidla, letadla, ponorky, rakety…) v rámci vnitřního inerciálního systému souřadnic. tato technologie byla patentována v roce 1910 v Německu výpočtové operace v inerciálním navigačním systému jsou založeny na Newtonově pohybovém zákonu.

32 32 Navigační systémy Lokalizační techniky  rádiová navigace naladění rádiové frekvence a pomocí směrové antény určení azimutu, metodou triangulace pozici. Lokace vysílačů je známá, nemění se, dá se použít i běžné AM vysílání. GSM lokalizace

33 33 Navigační systémy Lokalizační techniky  satelitní navigační systém Kosmický segment Řídicí segment Uživatelský segment 1 Satellite 2 Satellites 3 Satellites

34 34 Navigační systémy Pro co a jak ji lze využít? ?

35 35 Navigační systémy Uživatelský segment satelitní navigací  Přehled základních funkcí zaměření souřadnic polohy přijímače výška přijímače okamžitá, průměrná a maximální rychlost přijímače směr pohybu přesný čas stopky vzdálenost do cíle a směr k němu zbývající čas do cíle a čas dojezdu do cíle atd.

36 36 Navigační systémy Uživatelský segment  Ukázky zobrazení personálních přijímačů satelitní stránka navigační stránka mapová stránka stránka s navigační dálnicí stránka trasového počítače

37 37 Navigační systémy Uživatelský segment RJ zpracovává přijaté signály na jedné nebo dvou frekvencích. Přijímaný signál se porovnává s referenčním signálem. Signály se filtrují – časové údaje družice, navigační zpráva, nemodulovaný nosný kmitočet. Křemenný oscilátor vytváří referenční signál. Mikroprocesor řídí celý přijímací systém, umožňuje interaktivní komunikaci a programování přijímače. Řeší navigační úlohu měřením pseudovzdáleností. Blokové schéma přijímače GNSS Komunikační jednotka zajišťuje styk přijímače s uživatelem. Pomocí klávesnice se vkládají do přijímače doplňkové informace.

38 38 Navigační systémy  Rozdělení podle využití: navigační (vojenské i civilní) geodetické přijímače s časovou synchronizací Uživatelský segment

39 39 Navigační systémy  Ruční GPS nejširší oblast přijímačů vhodných pro turistiku, cestování, navigaci do auta, jednoduché přístroje na loď, paragliding, motorku, kolo... Uživatelský segment

40 40 Navigační systémy Uživatelský segment létání paragliding tréninkový náramkový běžecký počítač se snímačem tepové frekvence

41 41 Navigační systémy Uživatelský segment  Námořní tzv. "mapové plottery", přístroje většinou s větší obrazovkou vhodnou pro zobrazení vyššího detailu, často pouze s externím napájením sonary nebo kombinované GPS se sonary  Velký námořní barevný GPS a plotter s možností nahrávání podrobných map.  Mapový GPS se sonarem s barevným displejem s možností dohrávání map z edice MapSource na datové karty.

42 42 Navigační systémy Uživatelský segment  Sonary, nebo také echoloty jsou přístroje, které se používají pro získání informací o hloubce vody, typu dna nebo objektech ve vodě. Sonar se skládá ze dvou základních částí: přístroje s displejem (vykresluje dno a objekty pod vodou) a sondy (vysílá zvukový signál pod vodu a přijímá odražené signály). Sonar pro zobrazování dna a předmětů (ryb) pod lodí. Barevný dvoufrekvenční sonar pro zobrazování dna a předmětů (ryb) pod lodí.

43 43 Navigační systémy Uživatelský segment  Aplikační GPS přijímače pro aplikace jako např. řízení přesného času počítačových sítí, sledování pohybu objektů... krytované nebo v podobě OEM karet  12-ti kanálový GPS přijímač v podobě OEM desky.  12-ti kanálový GPS přijímač s integrovanou anténou.  Multifunkční PDA přístroj

44 44 Navigační systémy Uživatelský segment  Letecké GPS přijímače pro použití v letadlech. Vestavěné nebo ruční. Hlavní odlišností je, že obsahují vestavěné letecké mapové prvky (Jeppesen databáze, VOR, NBD..)  Přenosný GPS přijímač s barevným displejem čitelným na slunci.

45 45 Navigační systémy Uživatelský segment  Geodetické GPS Přístroje  Aktuální poloha  Vytyčování v prostoru

46 46 Navigační systémy Zábava- geocatching

47 47 Navigační systémy Úloha navigace v dopravě ?

48 48 Navigační systémy Geografické informační systémy  Správa geografických dat Sběr a pořizování dat Aktualizace dat Údržba datové modelu Konverzní funkce  Tisk  Geografické analýzy  Zobrazování prostorových dat a výsledků analýz

49 49 Navigační systémy GIS komponenty  GIS specialisté a uživatelé  Datové zdroje  Pracovní stanice  Programové metody  Vizualizace úloh  Modelování procesů  Digitalizace, sběr dat  Ukládání a strukturování

50 50 Navigační systémy Modelování reálného světa Výsledek - model Databáze Nástroje Abstrakce Realita V N D A

51 51 Navigační systémy Data versus informace Data Fyzická reprezentace Informace Daný význam o objektu pro řešení problému Vědění Schopnost použití a kombinace k řešení problému Reálný svět Vědění Data Samostatné číslo, slovo Data + Informace Interpretace a generalizace Informace Třídy příslušnosti

52 52 Navigační systémy Modelování reálného světa  Svět je nekonečně komplexní  Pro mnohé úlohy je popis třeba zjednodušit a vytvořit tzv. model reálného světa  Co může obsahovat? Digitální verze reálných objektů (např. domy, silnice, lesy) Digitální verze fiktivních objektů (např. hranice států)  Počítač je dobrý k ukládání diskrétních, ale nikoli k spojitých dat. Některé prvky jsou diskrétní (domy, hranice) - není problém Jiné veličiny jsou pouze spojité (teplota, tlak) Je nutné je diskretizovat

53 53 Navigační systémy Reprezentace reálného světa  Někdy diskretizace není zcela možná Les Není les realita reprezentace

54 54 Navigační systémy Data v GIS Prostorový popis Objektový popis Reprezentace Data Geometrická data Objektová data Grafická data Atribut Reálný svět

55 55 Navigační systémy Mapové projekce  Rovina  Válec  Kužel   Koule  Elipsoid

56 56 Navigační systémy Geografické informační systémy  Vektorový model Základní reprezentace modelovaných objektů Bod Linie Plocha  Rastrový model  „Špagetový “ model  Topologický datový model

57 57 Navigační systémy Příklad modelovaného objektu

58 58 Navigační systémy Příklad modelovaného objektu PolohaCo značka říká Způsob instalace Časová omezení? Správce /majitel Platí v úseku /nebo bodě

59 59 Navigační systémy Rozdílná výbava dle módu dopravy  Chodec Nevidomý Pohybově hendikepovaný Turista  Cyklista  Osobní vozidlo  Nákladní vozidlo  Letadlo  Loď  ….  Omezení plynoucí z dopravního prostředku  Nadměrné vozidlo  Nebezpečný náklad  …  Geodata nutná pro úlohu navigace dle módu dopravní cesta charakteristiky a omezení daná dopravní cestou Podkladová geodata POI objekty, adresy, firmy

60 60 Navigační systémy Funkce vozidlové navigace  Plánování cesty Zadání cílového bodu zájmu či polohy, výchozím bodem je aktuální pozice  Navigování za jízdy Instrukce za jízdy (hlasové či obrazové)  Lokalizace v mapě Zobrazení pozice v mapě, zobrazení mapy  POI - Služby a informace Vyhledávání a zobrazení bodů zájmu, adresních bodů  Kniha jízdy Záznam historie lokalizace a jízd v čase OEMnomandic 200292%8% 200438 %62%

61 61 Navigační systémy Rozšíření horizontu vidění, čas dojezdu

62 ÚVOD DO INTELIGENTNÍCH DOPRAVNÍCH SYSTÉMŮ K620 – ÚSTAV DOPRAVNÍ TELEMATIKY ČVUT FD, Konviktská 20, Praha 1 Děkuji za pozornost Doc. Ing. Pavel Hrubeš, Ph.D. hrubes@fd.cvut.cz