Facultatea de Electronica,Telecomunicatii si Tehnologia Informatiei

PRINCIPIUL TRIANGULATIEI

Masterand: Miculescu Livia

Cap I

Introducere Principiul triangulaţiei  Principiul  triangulației  este  utilizat  la  măsurarea  precisă  a  distanței, 

utilizând sensori de  triangulație  laser. Denumirea procedeului vine de  la  faptul că raza emisă, raza reflectată și distanța între emițătorul laser și camera (senzorul) CCD  formază un  triunghi. Principiu  triangulației este aplicat  în două variante: sistemul cu o singură cameră şi sistemul cu două camere. 

Principiul triangulaţiei cu o singură cameră  Această metodă presupune emiterea unui fascicul laser de la instrument și 

reflexia acestuia de pe suprafața obiectului  (de măsurat) spre o  lentilă colectoare situată pe instrument, la o distanță cunoscută față de emițător. Lentila focusează imaginea  spotului  laser  reflectat,  care  este  detectată  și  colectată  de  o  cameră (senzor) CCD.  Poziția  spotului  imagine  pe  pixelii  camerei  este  apoi  procesată pentru a determina distanța până  la obiect. Unghiul  fasciculului  laser emis este înregistrat de aparat iar distanța între sursa laser și camera CCD este cunoscută de la calibrarea instrumentului. Distanța de la instrument până la obiect (D) este determinată geometric din lungimea bazei (b) și unghiurile înregistrate (α și β). 

D = b * sin α / sin γ = b * sin α /sin(α + β) (1.4)  Principiul triangulaţiei cu două camere  O  altă  soluție, bazată pe  acelașii principiu, presupune utilizarea  a două 

camere CCD, amplasate  la  capetele bazei,  spotul  laser  fiind generat de o  sursă independentă, care nu are  funcție de măsurare. Rezolvarea este  identică cu cea de la cazul precedent.   Datorită  limitărilor  fizice  de  a  crea  o  bază  mare,  scanerele  laser  care utilizează  acest  principiu  sunt  utilizate  preponderent  pentru  aplicații  la mică distanță  și pentru  scanarea de obiecte de mici dimensiuni. Avantajele metodei 

constau în faptul că oferă o precizie de măsurare a distanței, care poate ajunge în domeniul micronilor.  Triangulaţie – metodă matematică de aflare a poziţiei unui punct cunoscând o latură si unghiurile unui triunghi.

Triangulatia geodezica de ordin superior este formata din punctele de Ordinul I, II si III, desfasurate de-a lungul paralelelor si meridianelor, alcatuind asa numita Retea Primordiala , care face legatura cu retelele statelor vecine.

Triangulatia geodezica de ordin inferior, numita si Triangulatie Topografica, constituie Reteaua de Indesire si este alcatuita din punctele de Ordinul IV si V.

Triangulatia topografica se foloseste pentru indesirea retelei de puncte de sprijin, in vederea legaturii masuratorilor de detaliu de puncte geodezice. Principalele caracteristici ale triangulatiei topografice sunt urmatoarele :

• alegerea punctelor se face cat mai aproape de suprafetele pe care se vor efectua masuratorile in detaliu. Numarul lor trebuie sa asigure densitatea ceruta de un punct la 2.5 – 5 km patrati;

• distanta intre puncte sa fie de 1 – 3 km; • triunghiurile formate sa fie cat mai apropiate de cel echilateral, evitandu-se

unghiurile mai mici de 40 g sau mai mari de 160 g; • sa aiba vizibilitate la celelalte puncte care intra in forma de canevas stabilita; • raportul dintre lungimile maxime si minime ale vizelor de determinare sa nu fie

mai mare de 3 : 1 ; • laturile care formeaza bazele de triangulatiei sa fie masurabile direct si sa aiba o

lungime de 600-1500 m.

Triunghiurile formate prin unirea punctelor se pot grupa in mod direct, deosebindu-se urmatoarele forme:

• poligon cu punct central; • patrulater; • lant de triunghiuri; • lant de patrulatere; • lant de poligoane; • retea complexa.

Alegerea forme de canevas depinde de conditiile de teren si de operator, dar in acelasi timp si de precizia cautata, deoarece formele poligonale si complexe de triangulatie asigura o precizie mai mare decat lanturile de triunghiuri sau patrulatere.

Cap II

Aplicatii ale triangulatiei

1.Sistem GPS GPS ul si a inceput cariera automobilistica ca baza a sistemelor integrate. Ele exista si in ziua de astazi. Ecrane de mari dimensiuni in plansa de bord, cititor DVD/CD pentru hartile cartografice, interfata vocala, panou de comanda in consola centrala, aceste sisteme sint din ce in ce mai raspindite, insa mereu oneroase. Daca aveti deja masina dar nu si GPS, aveti timp berechet sa va instalati un sistem. Un program informatic instalat pe calculatorul dumneavoastra de buzunar (PDA), un suport ventuza si un contact cu bricheta sint suficiente pentru a va proiecta in punctul cel mai inalt al tehnologiei de navigatie. Marcile cele mai cunoscute sint de altfel si cele mai fiabile, insa chiar si aici piata devine din ce in ce mai concurentiala. Potentialul creste, iar navigarea ii face loc telefoniei embarcate, lecturii fisierelor MP3... Atentie, cei ce ati ales deja, nu uitati: cu un GPS la bord, ambuteiajele neprevazute nu vor mai putea sa va justifice intirzierea la o intilnire, pentru ca este posibil sa primiti in timp util informatiile despre incetinirile masinilor din reteaua rutiera.

Instalaţii de monitorizare prin GPS GPS-ul a constituit până nu demult apanajul domeniului militar. În prezent tehnologia

GPS a fost transferată parţial şi sferei civile, găsindu-şi utilizarea într-o multitudine de domenii, precum: transporturi auto, feroviare, navale şi aeriene; echipamente de construcţie; echipamente de monitorizare şi supraveghere în agricultură etc.

Sistemul Global de Poziţionare (GPS – Global Position System), care a revoluţionat pentru totdeauna localizarea, monitorizarea, navigarea şi alte aplicaţii conexe, a apărut ca rezultat al unor importante investiţii realizate de Departamentul pentru Apărare al SUA. GPS este un sistem mondial de radionavigare format dintr-o constelaţie de 24 de sateliţi plasaţi pe orbită, care gravitează în jurul Pământului şi din staţiile terestre aferente.

Pentru calcularea poziţiei exacte se foloseşte principiul triangulaţiei, fiind necesare coordonatele furnizate de trei sateliţi. GPS foloseşte aceste stele artificiale ca puncte de referinţă pentru a calcula poziţia terestră a unor obiecte cu precizie de câţiva metri. De fapt, cu formele avansate de GPS, respectiv DGPS (Differential Global Position System) se pot efectua măsurători care au abateri de ordinul a câţiva centimetri (fig. 2.10.).

Arhitectura unui sistem de comunicaţii în cadrul sistemului de monitorizare bazat pe GPS este prezentată în fig

Marile firme constructoare de maşini agricole sunt din ce in ce mai interesate de a utiliza ghidarea prin GPS, Compania John Deere este chiar coproprietar al unui satelit aflat pe o orbită mai înaltă şi pe care îl utilizează pe vreme nefavorabilă. Sistemul de ghidare GPS diferenţial

Arhitectura de comunicaţie în cadrul sistemului de monitorizare bazat pe GPS Pentru calcularea poziţiei se foloseşte principiul triangulaţiei, fiind necesare, teoretic, coordonatele furnizate de trei sateliţi. În practică, pentru aflarea poziţiei exacte se utilizează semnalul provenind de la minim 4 sateliţi. Acesta captează semnalele sateliţilor mari şi le retransmite către Pământ. Ferma ce posedă sistemul de monitorizare prin GPS preia semnalul, transmiţându-l sub formă de unde radio FM către antena de pe utilajul agricol.

In prezent, exista in lume doua retele de sateliti de radionavigatie: GPS (Geo Positioning System sistemul de geo pozitionare american) si GLONASS (rus). Ambele au fost create pentru scopuri militare. Sistemul rus nu a fost insa pus in aplicare in veritabile aplicatii civile. Iata de ce apelativul "GPS" a trecut in limbajul curent. Europa si a dezvoltat de asemenea propria retea. "Galileo" este mereu in plan, dar acesta intra in faza de realizare si ar trebui sa vina sa completeze si sa concureze reteaua americana.

Pus la punct de armata americana, GPS ul utilizeaza semnalele satelitilor de pe orbita din jurul Pamintului (24 in total). Acestia emit un semnal care nu reprezinta nimic altceva decit... ora exacta! O ora precisa pentru fiecare satelit. Timpul necesar transmisiei acestui semnal catre un receptor (baliza) va da o indicatie a pozitiei sale in raport cu satelitul. Un singur semnal nu este suficient pentru a determina o anumita pozitie pe globul terestru. Cunoasteti principiul triangulatiei? Trebuie sa se "incruciseze" un minim de trei semnale de satelit pentru a se reusi obtinerea unei situatii precise (longitudine si latitudine). Iata de ce sint necesari 24 de sateliti. Iar cind spunem "situatie precisa" nu uitati ca in cadrul sistemelor GPS civilii utilizeaza material militar. Pentru a si pastra totusi un avantaj, armata si a lasat voluntar o marja de eroare.

Nici o panica insa, pentru ca intervin calculatoarele si programele informatice de navigare. Calculatorul da si pune in raport informatiile furnizate de catre program (informatii cartografice). Iata cum dumneavoastra va vizualizati ruta pe ecran. De la sageti directionale la imagini de sinteza, calitatea afisajului s a ameliorat dramatic in ultimii ani. Fara sa uitam ca dupa imagine mai este si sunetul, vocea unui interlocutor (sau a unei interlocutoare) care va va avertiza la momentul potrivit, atunci cind drumul se bifurca, in ce directie trebuie sa mergeti sau cind anume trebuie sa luati o curba.

Cum functioneaza GPS ?

Sa urmarim in continuare cum functioneaza GPS: 1.Baza GPS-ului este "triangulatia" de la sateliti.

2.Pentru a triangula , un receptor GPS masoara distanta folosind timpul de propagare al undelor radio.

3.Pentru a masura timpul de propagare GPS-ul are nevoie de o cronometrare precisa care poate fi obtinuta cu ajutorul unor trucuri.

4.Pe linga distanta este nevoie a se cunoaste exact unde se afla satelitii in spatiu.Orbitele aflate la mare altitudine si o monitorizare atenta sunt secretul.

5.In sfirsit , trebuie corectat semnalul radio de orice erori aparute la propagarea prin atmosfera.

Principiul de functionare al GPS-ului este acela de a folosi satelitii in spatiu ca puncte de referintă pentru localizarea la sol. Printr-o masurare foarte exacta a distantei in linie dreapta dintre receptor si cel putin 4 sateliti se poate determina pozitia oricarui punct de pe Pamant (latitudine, longitudine, altitudine). In mod normal pentru determinarea pozitiei in 3D a unui punct de pe suprafata terestra cu ajutorul pozitiei satelitilor este nevoie de doar trei distante (trei sateliti), deoarece metoda care se utilizează este cea a triangulatiei.

Principiul de func�ionare al GPS-ului este folosirea câtorva sateli�i din spa�iu ca puncte de referin�ă pentru localizarea la sol. Sistemul NAVSTAR dispune la ora actuală (2010) în total de 24 sateli�i, care se afla la o înăl�ime de 20.183 km de suprafa�a Pământului. Printr-o măsurare foarte exactă a distan�ei în linie dreaptă dintre receptor �i cel pu�in 4 sateli�i se poate determina pozi�ia oricărui punct de pe Pământ (latitudine, longitudine, altitudine). În mod normal pentru determinarea pozi�iei în 3D a unui punct de pe suprafa�a terestră cu ajutorul pozi�iei sateli�ilor ar fi nevoie de doar trei distan�e (trei sateli�i), deoarece metoda care se utilizează este cea a triangula�iei. Totu�i la GPS este nevoie �i de a patra distan�ă, pentru minimizarea erorilor de pozi�ionare datorate ceasurilor din receptoare, care nu sunt suficient de exacte în compara�ie cu ceasurile atomice din sateli�ii utiliza�i. Distan�a dintre satelit �i receptor se calculează prin cronometrarea timpului de care are nevoie semnalul radio să ajungă de la satelit la receptor. �tiind că semnalul radio se deplasează cu 300.000 km/s (viteza luminii), dacă cronometrăm timpul lui de propagare de la satelit la receptor putem să deducem distan�a dintre ace�tia. Fiecare satelit are semnalul propriu (Pseudo Random Code), astfel încât receptorul �tie exact despre ce sateli�i este vorba.

2. Avionul "invizibil" Sistemul Kolchuga, boicotat pe fata de occidentali si rusi, dar spionat de toti

Elementul cheie al centrului operational Kolchuga este reteaua de 3-4 receptori pasivi in spectrul de frecvente radar, dispusi la cateva zeci de km unul de altul. Metoda prin care sistemul detecteaza si urmareste avionul "invizibil" se bazeaza pe principiul triangulatiei, fiecare din receptori goniometrand simultan sursa emisiei radar. Goniometrarea este dublata de masurarea diferentei de timp inregistrata la sosirea impulsului, la fiecare receptor TDOA (time difference of arrival). Comanda functionarii receptorilor este realizata de un procesor integrator GPS care analizeaza azimuturile si distantele tintei, provenite de la receptoare. Sistemul poate detecta si urmari astfel, simultan, 32 de tinte aeriene "invizibile".

Echipamentul receptor este montat pe o autospeciala si este compus dintr-o antena mare verticala, in gama metrica si decimetrica, 2 antene parabolice in gama centrimetrica si alte cateva perechi de antene mai mici de gama larga, functionand in gamele de frecventa 135 - 170 MHz, 230 - 470 MHz si 750 - 18.000 MHz. Antenele parabolice sunt utilizate in stabilirea relevmentului tintei prin compararea amplitudinii monopuls emisa de radarul acesteia. Precizia relevmentului astfel obtinut este triplata prin interferometria de faza realizata de perechile de antene de gama larga. Prin triangulari continue, sistemul este capabil sa stabileasca traiectoria urmata de tinta si prin extrapolare sa determine obiectivele pe care aceasta le-ar putea ataca. Din acel moment, centrul operational Kolchuga introduce pe ecranele radar din reteaua de conducere automatizata a brigazii de care apartine simbolul ATW (Automatic Threat Warning) asimilat coordonatelor spatiale ale tintei.

3. Metode de autofocalizare Autofocalizarea se realizeaza, principial, prin doua metode: activa si pasiva.

Metoda activa isi ia numele dupa faptul ca aparatul fotografic emite un fascicul de unde (ultrasunete, radiatie luminoasa in spectrul vizibil sau infrarosu). Radiatia ultrasonica emisa de un subansamblu de pe camera, este reflectata de subiect inapoi catre aparat, care o receptioneaza. Apoi, prodesorul camerei foto determina diferenta de timp dintre momentul emisiei si cel al receptiei, in baza careia se calculeaza distanta. In cazul radiatiei infrarosii, camera fotografica poseda doua surse de emisie si se foloseste principiul triangulatiei. Informatia de distanta este apoi transmisa unui mcromotor care deplaseaza blocul optic sau doar un grup de lentile din blocul optic, pentru punerea la punct.