Lokalizacja Global Positioning System

Lokalizacja
Global Positioning System
Systemy nawigacji satelitarnej
Radionawigacja
• Wykorzystanie fal radiowych do określenia
własnego połoŜenia i wyznaczenia dalszej
drogi
• Systemy radionawigacyjne korzystają
z nadających określone sygnały
rozpoznawcze radiolatarni.
Systemy radionawigacyjne
[ z Wikipedii]
Historia
• 1957r. (Baltimore, USA) – podstawy teoretyczne
• 1964r. TRANSIT SATNAV (USA), na potrzeby
marynarki; od 1968r. równieŜ licencje dla firm
cywilnych; nie obejmował całej powierzchni
Ziemi; nośne częstotliwości: 150 MHz i 400
MHz; wykorzystywany efekt Dopplera. ZłoŜony z
6 satelitów; stosowany do końca 1996 roku
• Po modyfikacjach – systemy TIMATION
(Marynarka) i 621 B (lotnictwo)
• Koniec lat sześćdziesiątych – w ZSRR CYKADA
GPS - NAVSTAR
• Nowy projekt w 1973r., kontynuowany do dzisiaj; w
latach osiemdziesiątych udostępniony szeroko do
zastosowań cywilnych, z Selected Availibility
• Celowo ograniczona dokładność (losowo
dodawane wartości wprowadzające błąd,
zapewniające rozmycie dokładności) – 10m dla
licencjonowanych a 500 m (potem rynek wymusił
100) dla pozostałych odbiorców
• DGPS (Differential GPS) – wykorzystanie
dodatkowych stacji naziemnych do korekcji błędu
• W krajach, w których trwa wojna, błąd Selected
Availability jest zwiększany, w pozostałych – od
2000 r. nie jest dodawany, co daje dokładność
lokalizacji 4-12 metrów
GALILEO – Europejski System
Nawigacji Satelitarnej
• Początek datuje się na lata osiemdziesiąte
(konkurencja dla GPS NAVSTAR); testy
rozpoczęły się w 2005r., pełne wdroŜenie
planowane jest w 2012r.
• System całkowicie cywilny – Europejska
Agencja Kosmiczna (ESA) prowadzi nadzór
technologiczny; Unia Europejska – polityczny;
konsorcja Eurely oraz iNavSat – administracja
systemem
• Planowana dokładność pozycjonowania – 50 cm
Struktura GALILEO – segment
kosmiczny
• 27 satelitów operacyjnych i 3 zapasowe,
na średnich orbitach (MEO – Medium
Earth Orbit), na wysokości 23616 km nad
Ziemią, z czasem okrąŜenia 14 godzin i
21 minut
• 10 sygnałów ogólnie dostępnych na
trzech pasmach; dodatkowo sygnały
szyfrowane i korekcyjne
GLONASS (Globalnaia Navigacionnaia
Sputnikovaia Sistiema)
• Utworzony dla celów wojskowych w 1976r.
• W 1993 r. – 12 satelitów, w 1995 – 24 satelity;
od 1999 dostępny dla odbiorców cywilnych
• Wprowadza ograniczenie dokładności do 30 m
• Satelity krąŜą w odległości 19100 km od Ziemi,
na prawie kołowych orbitach
• Od kilku lat dostępne są odbiorniki do
jednoczesnego odbioru GPS i GLONASS
(podobna zasada działania) – system GNNS
GLONASS
GPS NAVSTAR
• Navigational Satellite Time & Ranging
• Segment kosmiczny: system 24 satelitów
krąŜących na orbitach 20200 km, na 6
płaszczyznach; przynajmniej 5 satelitów
jest rezerwowych
Satelita NavStar
Segment kontroli GPS
• System pięciu stacji monitorujących (stacje kontroli naziemnej)
(Hawaii, Kwajalein, Wyspa Wniebowstąpienia, Diego Garcia,
Colorado Springs) i główne centrum kontroli (MCS - Master
Control Station) w Colorado Springs - baza Sił Powietrznych
Falcon.
• Stacje odbierają sygnały kontrolne i telemetryczne satelitów i w
razie potrzeby dokonują zdalnej korekty.
•
W wyniku porównania danych almanachu z orbitalnym
modelem ruchu danego satelity są obliczane precyzyjne dane
korekcyjne (efemerydy) dla kaŜdego z satelitów oraz korekty
zegara. Z głównego centrum poprzez stacje kontroli zostają
wysyłane efemerydy oraz dane zegara do kaŜdego satelity.
• Następnie satelity korygują swoje sygnały. MCS okresowo
przesyła satelitom efemerydy i poprawki zegara w celu ich
retransmisji w depeszy nawigacyjnej.
Segment uŜytkownika
• Segment uŜytkownika to wszystkie rodzaje
i typy odbiorników, korzystających a
danych systemu GPS; wojskowe i cywilne
• Sygnał wysyłany przez satelity składa się
z dwóch częstotliwości L1 o długości fali
nośnej 19 cm i sygnał L2 – 24 cm,
modulowany kodem dostępnym dla
wojska.
Zasada działania systemu
nawigacji satelitarnej
• Mierzy się przebytą drogę sygnału wysłanego
przez satelitę, poruszającego się po
zdefiniowanej orbicie, do anteny terminalu
odbiorczego
• Znana odległość umiejscawia odbiornik na
powierzchni kuli o promieniu równym odległości
• Z 2 satelitów – mamy przecięcie się dwóch sfer
• Po zmierzeniu 3. odległości – pozostają moŜliwe
2 punkty – odrzuca się np. ten, który jest za
wysoko, albo porusza się zbyt szybko
• Przy 4. satelicie określona jest równieŜ
wysokość punktu
Zasada lokalizacji
• Mierzy się czas dotarcia sygnału
radiowego z satelitów do odbiornika
• Znając prędkość fali i dokładny czas
wysłania sygnału – oblicza się odległość
od satelitów
• Sygnał GPS zawiera ALMANACH –
informację o układzie satelitów na niebie
oraz EFEMERYDĘ – teoretyczna droga
satelity i odchylenia od niej
Zasada działania
• Sygnał dociera na częstotliwościach nośnych:
f1=1575,42 MHz i f2=1227,6 MHz
• Porównanie róŜnicy faz obu sygnałów pozwala
na wyznaczenie czasu propagacji; poprawka na
zmienny wpływ jonosfery otrzymywana jest albo
w depeszy nawigacyjnej, albo z systemu DGPS.
• Wszystkie satelity emitują na tych samych
częstotliwościach, ale z róŜnymi kodami (CDMA
– Code Division Multiple Access)
MoŜliwości lokalizacji
• W trójwymiarowej przestrzeni – niezbędny
jest sygnał z 4 satelitów
• W 2D – z odbiorem 3 satelitów
• Dokładne współrzędne satelitów oraz czas
z synchronizowanego zegara atomowego
przekazywane są w DEPESZY
NAWIGACYJNEJ
Metody pomiaru
• Przy odbiorze sygnału z 4 satelitów odbiornik
oblicza 3 pseudo-odległości do satelitów oraz
odchyłki czasu
• METODA KODOWA – satelita wysyła a
odbiornik generuje taki sam kod. Pomiar
przesunięcia daje ∆t przebiegu sygnału i
pseudo-odległość d=c.∆t
Ma zastosowanie przy nawigacji pojazdów; przy
wykorzystaniu wszystkich częstotliwości satelity
(wprowadza się trzecią), dokładność zwiększa
się do kilku – kilkunastu centymetrów
d=c.∆t
Metody pomiaru
• METODA FAZOWA – pomiar fazy (ϕ) sygnału
przychodzącego na jednej lub dwóch
częstotliwościach; pseudo-odległość:
d = Nλ
λ + λϕ
gdzie N – całkowita liczba pełnych długości fal w
odległości satelita - Ziemia
• Metoda dokładniejsza (nawet do milimetrów); wymaga
12 obserwacji (długości do satelitów), aby wyznaczyć
N; trudna do zastosowań mobilnych (opracowuje się
szybkie metody inicjalizacji, np. OTF – On-The-Fly, ok.
10 sekund)
Dokładność
• Wskaźnik CEP (Circular Error Probable) odnosi się
do statystycznego udziału punktów o zadanej
dokładności w całym zbiorze.
• Przykład: CEP(80%) 1-3m
oznacza, Ŝe 80% pomiarów mieści się w zakresie
błędów 1-3 metra a o pozostałych 20% nic nie
wiadomo
• Im mniej sprzyjające warunki pomiaru – tym
bardziej prawdopodobne są punkty leŜące
w zakresie 20% nieuwzględnianym przez CEP
Błędy pomiaru pozycji
• Opóźnienie jonosferyczne. Błąd odległości
wywołany opóźnieniem w propagacji fal
radiowych wynosi od 20-30 metrów w dzień do
3-6 metrów w nocy.
• Opóźnienie troposferyczne. Opóźnienie to
powstaje w dolnych warstwach atmosfery i jest
zaleŜne od temperatury, ciśnienia i wilgotności.
MoŜe wynosić do 3 metrów. Lepsze odbiorniki
kompensują je prawie całkowicie.
Błędy pomiaru pozycji –c.d.
• Błąd efemeryd - róŜnica między połoŜeniem
satelity, wyliczonym z danych orbitalnych a
rzeczywistym, spowodowana przez grawitację
Słońca i KsięŜyca oraz wiatr słoneczny
• Błąd zegara satelity - róŜnica pomiędzy
globalnym czasem GPS a wskazaniem zegara
satelity.
• Wielodrogowość - praktycznie niemoŜliwa do
skompensowania, zmniejszają ją odpowiednie
konstrukcje anten.
Błędy pomiaru pozycji –c.d.
• Błędy odbiornika - błędy pomiaru juŜ w
samym odbiorniku GPS, spowodowane
szumem, dokładnością oprogramowania
oraz zakłóceniami, równieŜ z otaczających
instalacji przemysłowych, źle
ekranowanych urządzeń elektronicznych,
itp.
Inne systemy GPS
• BEIDOU – chiński, 35 satelitów, pomiary z
precyzją 0,2 m/s
• DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite), system
nawigacyjny stworzony przez Francję
Zastosowanie nawigacji satelitarnej
• Ratownictwo - pozwala na szybką
lokalizację zaginionych pojazdów,
samolotów, statków oraz osób.
• Transport (morski, drogowy, lotniczy jak i
kolejowy). Nawigacja satelitarna ma
zastosowanie w automatycznej
identyfikacji poruszających się obiektów,
do sterowania ich trasami i ostrzegania o
potencjalnych zagroŜeniach.
…
• Nawigacja osobista - pomoc w identyfikacji nieznanego
terenu i dostarczaniu o nim adekwatnych informacji,
nadzór nad pracownikami podczas pracy w sytuacjach
zagroŜenia, szeroko rozumiana rekreacja.
• Administracja publiczna, np. w finansach, bankowości.
Systemy nawigacji satelitarnej ze swymi certyfikowanymi
znacznikami czasu będą mogły zapewnić autentyczność
i bezpieczeństwo elektronicznego systemu przesyłania
danych. Prawdopodobieństwo naduŜyć ulegnie
zmniejszeniu, a wszelkie transakcje będą archiwizowane
w jednorodnym i godnym zaufania systemie czasu
Badania we wielu krajach wykazały
[wg Lokalizacja – Info]
• Urządzenia nawigacji satelitarnej podnoszą świadomość
kierowcy oraz redukują stres podczas jazdy.
• Korzystanie z urządzeń nawigacji satelitarnej redukuje
wysiłek kierowcy podczas jazdy.
• Korzystanie z urządzeń nawigacji satelitarnej poprawia
samopoczucie kierowcy w czasie jazdy przez nieznany
teren lub w nieznanym kierunku.
• Korzystanie z urządzeń nawigacji satelitarnej redukuje
ilość przejechanych kilometrów.
• Korzystanie z urządzeń nawigacji satelitarnej pozwala
zaoszczędzić czas podczas jazdy przez nieznany teren
lub w nieznanym kierunku.
TELEFON
„Panie Watson, proszę tutaj
przyjść. Potrzebuję pana”
(rok 1876)
Zasada działania pierwszego telefonu
•
•
•
•
Cienka membrana drgała pod wpływem ludzkiego głosu
Membrana umieszczona była w polu magnetycznym elektromagnesu
Pod wpływem drgań zmieniało się pole magnetyczne, przez co powstawały
niewielkie skoki napięcia
Na drugim końcu przewodu drgania prądu były ponownie zamieniane na
skoki membrany
Graham Bell
zgłosił swój wynalazek jako wniosek 174.465 14 lutego 1876 roku
•
Pierwsza linia telefoniczna o długości ponad dwóch kilometrów 26 maja
1877 r., w Berlinie
Początki
•
Pierwsze aparaty (z korbką, później baterią jako źródło zasilania)
produkował Siemens & Halske
•
Wprowadzono centrale do zestawiania połączeń (na początku oczywiście
ręczne)
•
Dzięki modulacji amplitudowej moŜna było jednocześnie przesyłać jednym
torem transmisyjnym kilka rozmów
•
Pierwsza centrala sterowana elektronicznie – Monachium – 1962 r.
Telefonia komórkowa
•
Stacje bazowe odgrywają taką rolę, jak centrale dla telefonii stacjonarnej
•
KaŜdy, włączony telefon komórkowy odbiera sygnały stacji bazowych i od
czasu do czasu wysyła własne sygnały, dzięki którym sieć poprzez swoje
stacje bazowe moŜe określić miejsce, w którym telefon się znajduje. I
„przypisać” telefon do tej stacji, która najlepiej odbiera jego sygnały.
•
JeŜeli telefon (wraz ze swoim posiadaczem) się przemieszcza, jest kolejno
„przypisywany” do stacji bazowych, które „słyszą” go najlepiej.
GSM
•
GSM (Groupe Spécial Mobile – franc.); obecnie tłumaczony jako Global
System for Mobile Communications –
najpopularniejszy obecnie standard telefonii komórkowej (80% rynku);
dzięki roamingowi moŜna korzystać z telefonu w większości (ponad 200)
krajów świata (ale np. nie w Japonii, czy Korei Południowej…)
•
Istnieje pięć głównych standardów GSM, róŜniących się przede wszystkim
uŜywanym pasmem radiowym i wielkością zasięgu (tzw. rozmiarami
komórek):
GSM 400, GSM 850, GSM 900, GSM-1800 (nazywany takŜe DCS), i GSM1900 (nazywany takŜe PCS). GSM 850 i GSM 1900 wykorzystywane są
w większości państw obu Ameryk. W pozostałej części świata, uŜywany jest
standard GSM 900/1800.
Zasięg komórki
•
•
•
•
Maksymalny zasięg komórki – około 35 km
Im wyŜsza częstotliwość (czyli większa energia potrzebna do nadawania) –
tym mniejszy zasięg – np. GSM 1800/1900 – około 8-9 km
GSM900 – pokrywa się duŜe, słabo zurbanizowane tereny, a GSM-1800
miasta, ośrodki o duŜym natęŜeniu ruchu turystycznego itp. (większa liczba
dostępnych częstotliwości).
Telefon w systemie GSM uŜywa cyfrowego kanału radiowego
przydzielonego mu na czas połączenia przez Kontroler Stacji Bazowych.
KaŜda z dostępnych częstotliwości podzielona jest na 8 szczelin
czasowych, w których mogą być transmitowane pojedyncze rozmowy (lub
pół szczeliny czasowej na jedną rozmowę, co wiąŜe się z pogorszeniem
jakości transmisji). Podczas rozmowy telefon wysyła do sieci tzw. raporty
pomiarowe, w których zawarte są informacje o sile i jakości sygnału
odbieranego z okolicznych stacji bazowych. Na podstawie tych raportów,
Kontroler Stacji Bazowych moŜe przyznać częstotliwość związaną z inną
stacją, jeśli sygnał ze stacji, z którą telefon nawiązał połączenie staje się
zbyt słaby, np. abonent oddala się poza zasięg nadajnika.
GPRS - General Packet Radio Service
•
Technologia stosowana w sieciach GSM do pakietowego przesyłania
danych
•
Informacje są przesyłane przez sieć komórkową w krótkich impulsach
•
GPRS jest wykorzystywany przez aplikacje słuŜące do wysyłania „krótkich
wiadomości tekstowych” – SMS i łączności (Internet, poczta e-mail)
•
GPRS nazywane jest często technologią 2.5G – stanowi element ewolucji
GSM jako drugiej generacji do sieci w standardzie 3G
•
Specyfikacja GPRS rozwijana jest jako część standardu GSM
W Polsce usługi w standardzie GSM w czerwcu 2009 r. świadczyło czterech
operatorów: Polska Telefonia Cyfrowa (sieć Era), Polkomtel (sieć Plus), PTK
Centertel (sieć Orange) oraz P4 (operator sieci Play). Pozostałe wolne
częstotliwości zostały rozdzielone na podstawie przetargów spółkom Aero2,
Mobyland i Centernet[13] [14].
W grudniu 2006 r. rozpoczął działalność pierwszy wirtualny operator telefonii
komórkowej w Polsce - mBank mobile, korzystający z infrastruktury Polkomtela.
Rynek operatorów wirtualnych rozwija się wolno, według szacunków dziennika
Rzeczpospolita [15] pod koniec 2008 roku w Polsce było około 165 000
aktywnych klientów MVNO, co stanowi 0.4% całego polskiego rynku telefonii
komórkowej.
(na podstawie Wikipedii)
UMTS – następca GSM
•
•
•
•
•
•
UMTS – Universal Mobile Telecommunications System
Telefonia komórkowa trzeciej generacji. UŜytkownicy mogą uzyskać
transfer danych z przepływnością 1,46 Mbit/s przy wysyłaniu i 7,2 przy
odbieraniu danych
MoŜliwe są bieŜące transmisje wideokonferencji itp.
Sieci w obu standardach mogą współpracować; takie telefony są równieŜ
dostępne
Zamiennie dla nazwy UMTS uzywa się nazwy zaimplementowanej
technologii HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) HSUPA (High
Speed Uplink Packet Access) - lub wspólnie HSPA
Jeszcze inna nazwa: WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) technologia związana z dostępem do sieci radiowej stosowana w sieciach
komórkowych budowanych w standardzie UMTS.
Środowisko elektromagnetyczne
•
Pola elektryczne i magnetyczne w otoczeniu sieci
elektroenergetycznych mają częstotliwość 50 Hz.
• Pola elektromagnetyczne, które są uŜywane jako medium, czyli
nośniki sygnałów w sieciach radiowych, telewizyjnych i
komórkowych mają częstotliwości od kilkuset kiloherców (kHz)
poprzez MHz do GHz.
• To, jak pola elektromagnetyczne oddziałują na wszelkie organizmy
jest zaleŜne, między innymi, od częstotliwości pól. Ale nie tylko od
częstotliwości - równieŜ od natęŜeń tych pól
Zakresy częstotliwości
• W Polsce istnieją sieci telefonii komórkowych wykorzystujących
zakresy częstotliwości:
około 900 MHz – sieci GSM 900;
około 1800 MHz – sieci GSM 1800.
około 2100 MHz – sieci UMTS.
• W systemie GSM stacje bazowe nadają swoje sygnały w zakresie
częstotliwości od 935 do 960 MHz i od 1805 do 1880 MHz (dawny
DCS). Zgodnie z normatywami ETSI maksymalna moc stacji nie
moŜe przekraczać 55 dBm, czyli 320 W. W praktyce, w warunkach
wielkiego miasta, moce doprowadzane do poszczególnych anten
sektorowych nie przekraczają 20 W. Oprócz anten sektorowych na
stacjach bazowych GSM instalowane są anteny radiolinii pracujące
w miastach, w pasmach 23 GHz, 27 GHz i 38 GHz. Stacje UMTS
łączą się z abonentami w zakresie częstotliwości 2100 MHz
Autor: S. RóŜycki