Système de positionnement

Un système de positionnement est un système permettant de déterminer la position d'un objet dans l'espace . Les technologies de systèmes de positionnement existent depuis la couverture interplanétaire avec une précision métrique jusqu'à la couverture de l'espace de travail et de laboratoire avec une précision submillimétrique. Une sous-classe majeure est constituée de systèmes de géopositionnement , utilisés pour déterminer la position d'un objet par rapport à la Terre, c'est-à-dire sa position géographique ; l'un des systèmes de géopositionnement les plus connus et les plus couramment utilisés est le système de positionnement global (GPS) et les systèmes mondiaux de navigation par satellite similaires (GNSS).

Les systèmes de communication radio interplanétaires permettent non seulement de communiquer avec les engins spatiaux, mais aussi de déterminer leur position. Le radar peut suivre des cibles proches de la Terre, mais les engins spatiaux dans l'espace lointain doivent être équipés d'un transpondeur fonctionnel à bord pour renvoyer un signal radio. Des informations d'orientation peuvent être obtenues à l'aide de suiveurs d'étoiles .

Les systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS) permettent à des récepteurs radio spécialisés de déterminer leur position spatiale en 3D, ainsi que l'heure, avec une précision de 2 à 20 mètres, soit quelques 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 :

• Système de positionnement global – Système militaire américain, pleinement opérationnel depuis 1995
• GLONASS – Système militaire russe, pleinement opérationnel depuis octobre 2011
• Galileo – Communauté européenne, pleinement opérationnel depuis décembre 2019
• Système de navigation Beidou – Chine, pleinement opérationnel depuis juin 2020
• Système indien de navigation régionale par satellite – un projet prévu en Inde

Les réseaux d'émetteurs de positionnement terrestres permettent aux récepteurs radio spécialisés de déterminer leur position 2D à la surface de la Terre. Ils sont généralement moins précis que les GNSS car leurs signaux ne se limitent pas entièrement à la propagation en visibilité directe et ils n'ont qu'une couverture régionale. Ils restent toutefois utiles à des fins spéciales et comme solution de secours lorsque leurs signaux sont reçus de manière plus fiable, notamment sous terre et à l'intérieur, et des récepteurs peuvent être construits qui consomment très peu d'énergie de batterie. LORAN est un exemple d'un tel système.

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 zone de couverture du réseau, là où il existe une ligne de vue dégagée vers trois balises de signalisation ou plus 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 locaux n'offrent pas de couverture mondiale. Ils utilisent plutôt des balises, qui ont une portée limitée, ce qui oblige l'utilisateur à se trouver à proximité de celles-ci. Les balises comprennent les stations de base cellulaires , les points d'accès Wi-Fi et LiFi et les tours de diffusion radio .

Par le passé, les systèmes LPS longue portée étaient utilisés pour la navigation des navires et des avions. Le Decca Navigator System et le LORAN en sont des exemples . 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 radiodiffusion peut être utilisé sur les téléphones portables qui ne disposent pas d'un 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 localisation de la tour cellulaire est suffisante. Ils sont également utilisés dans les manèges sans rails comme Pooh's Hunny Hunt et Mystic Manor .

Voici quelques exemples de systèmes existants :

• Locata Corporation
• Pseudolite

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 fournissent des informations de localisation et d'orientation en 6D .

Voici quelques exemples de systèmes existants :

• Chauve-souris active

Ces appareils sont conçus pour couvrir uniquement 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 en 6D. Parmi les exemples d'applications, citons les environnements de réalité virtuelle , les outils d'alignement pour la chirurgie ou la radiologie assistée par ordinateur et la cinématographie ( capture de mouvement , correspondance de mouvement ).

Exemples : télécommande Wii avec barre de capteur, Polhemus Tracker, solutions de suivi de mouvement de précision InterSense.

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 selon six degrés de liberté, le long d'un chemin souhaité, dans 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 sa position finale et dans son orientation souhaitées avec un minimum de secousses.

Exemples : machines-outils à grande vitesse , numérisation laser , câblage par fils , inspection de circuits imprimés , tests d'automatisation en laboratoire , simulateurs de vol

Il existe de nombreuses technologies permettant de déterminer la position et l’orientation d’un objet ou d’une personne dans une pièce, un bâtiment ou dans le monde.

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 trackers optiques, tels que les trackers 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 trackers à ultrasons ont une portée plus limitée en raison de la perte d'énergie liée à la distance parcourue. Ils sont également sensibles au bruit ambiant ultrasonique et ont un faible taux de mise à jour. Mais leur principal avantage est qu'ils n'ont pas besoin de ligne de visée.

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

Un système de balayage spatial utilise des balises (optiques) et des capteurs. On distingue deux catégories :

• Systèmes de type Inside Out 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 pointant le capteur vers la balise, l'angle entre les deux peut être mesuré. La triangulation permet de déterminer la position de l'objet.

Le principal avantage d'un capteur inertiel est qu'il 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 de départ et une orientation connues. Comme 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 une plus grande précision.

Ce type de système de suivi utilise des liaisons mécaniques entre la référence et la cible. Deux types de liaisons ont été utilisés. L'une est un assemblage de pièces mécaniques qui peuvent chacune tourner, offrant à l'utilisateur de multiples possibilités de rotation. L'orientation des liaisons est calculée à partir des différents angles de liaison mesurés avec des encodeurs incrémentaux ou des potentiomètres. D'autres types de liaisons mécaniques sont des fils enroulés en bobines. Un système à ressort assure la tension des fils 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, seule une gamme limitée de mouvements est généralement possible en raison de la cinématique des articulations et de la longueur de chaque liaison. De plus, le poids et la déformation de la structure augmentent avec la distance de la cible par rapport à la référence et imposent une limite au volume de travail.

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. Cela permet de calculer le mouvement relatif de l'émetteur par rapport au récepteur.

Comme les systèmes de détection inertielle, les systèmes à différence de phase peuvent souffrir d'erreurs accumulées et sont donc sujets à des dérives, mais comme la phase peut être mesurée en continu, ils sont capables de générer des débits de données élevés. Omega (système de navigation) en est un exemple.

Les systèmes de détection de champ direct utilisent un champ connu pour déduire l'orientation ou la position : une simple boussole utilise le champ magnétique de la Terre pour connaître son orientation dans deux directions. Un inclinomètre utilise le champ gravitationnel de la Terre pour connaître son orientation dans la troisième direction restante. Le champ utilisé pour le positionnement n'a cependant pas besoin d'être issu de la nature. Un système de trois électroaimants placés perpendiculairement les uns aux autres peut définir une référence spatiale. Sur le récepteur, trois capteurs mesurent les composantes du flux du champ reçu en conséquence du couplage magnétique . Sur la base de ces mesures, le système détermine la position et l'orientation du récepteur par rapport à la référence des émetteurs.

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

Étant donné que chaque technologie a ses avantages et ses inconvénients, la plupart des systèmes utilisent plusieurs technologies. Un système basé sur des changements de position relative, 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. Le GPS ( Global Positioning System ) est généralement l'un des principaux composants de ces systèmes, associé aux signaux des antennes relais, aux signaux Internet sans fil, aux capteurs Bluetooth , aux adresses IP et aux données de l'environnement réseau.

Ces systèmes sont spécialement conçus pour surmonter les limites du GPS, qui est très précis dans les zones ouvertes, mais fonctionne mal à l'intérieur ou entre de hauts bâtiments (l' effet canyon urbain ). En comparaison, les signaux des antennes-relais 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 fournir 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 basés sur la 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. Des méthodes ultérieures permettent aux smartphones de combiner la précision du GPS avec la faible consommation d'énergie de la recherche de points de transition d'identification cellulaire. En 2022, le système de positionnement sans satellite SuperGPS avec une résolution plus élevée que le GPS utilisant les réseaux de télécommunications existants a été démontré.