1 USŁUGI LOKALIZACYJNE CZ.1 SATELITARNY SYSTEM LOKALIZACJIGPS Piotr Skulimowski Piotr Wiśniewski Szymon Denuszek Wiktor Bartczak

2 PLAN PREZENTACJI Satelitarne systemy lokalizacji:wprowadzenie, zasada działania GPS DGPS, AGPS inne systemy nawigacji satelitarnej Metody lokalizacji w sieciach telefonii komórkowej : podział metod omówienie metod CGI+TA , AOA, TDOA i E-OTD

3 PLAN PREZENTACJI Przykłady usług dostępnych w Polsce:ERA - zarządzanie flotą, ERA – WAP PLUS - satelitarny system monitoringu pojazdów (Liberty) IDEA - co, gdzie, którędy ELTE - przegląd ofert systemów opartych na GPS

4 CO TO JEST GPS ? Globalny System Pozycjonowania (Global Positioning System) Właścicielem systemu GPS jest Departament Obrony USA. System GPS Navstar powstał na potrzeby wojska, aby w każdej chwili i w każdych warunkach było możliwe określenie pozycji okrętu, samolotu bądź ...pojedynczego żołnierza GPS dostarcza użytkownikom dokładnych informacji o czasie, położeniu i prędkości.

5 CECHY SYSTEMU GPS Globalność polegająca na powszechnej dostępności sygnału satelitarnego GPS 24 godziny na dobę we wszystkich zakątkach świata. GPS działa równie dobrze niezależnie od pogody, pory dnia i położenia odbiornika. Departament Obrony USA włączył sygnał zakłócający SA (Selective Availability), aby zmniejszyć dokładność określania pozycji dla cywilnych odbiorców GPS do 100 metrów. Uwaga! Z dniem decyzją rządu USA został na stałe wyłączony program celowo pogarszający dokładność określania pozycji przez cywilne odbiorniki GPS (SA - Selective Availability).

6 CECHY SYSTEMU GPS Obecnie (po zniesieniu zakłóceń) dokładność systemu wynosi około 25 m (90% pomiarów), a po zastosowaniu stacji referencyjnej (DGPS) błąd wynosi 1-5m. Błąd określania wysokości przez popularne odbiorniki GARMINA jest mniej więcej 3 x większy od błędu określania pozycji. Dokładność systemu przy zastosowaniu dobrych odbiorników GPS - np. Garmin 12CX z uśrednianiem pozycji jest lepsza niż 10 metrów System GPS jest bezpłatny nie licząc kosztów baterii - jego wykorzystywanie nie jest obciążone żadnymi dodatkowymi opłatami abonentowymi, poza kosztem zakupu samego odbiornika, nie trzeba również posiadać zezwolenia.

7 BUDOWA SYSTEMU GPS segment kosmiczny (satelity) segment użytkownika(odbiornik) segment sterowania (stacje naziemne)

8 SEGMENT KOSMICZNY 24 amerykańskie satelity wojskowe NAVSTAR (Navigational Satellite Time and Ranging – system nawigacyjny stosujący pomiar czasu i odległości) na 6 orbitach, po 4 satelity na każdej orbicie. 21 satelitów aktywnych, 3 satelity zapasowe. Płaszczyzny orbit nachylone są pod kątem 55 stopni do równika, Czas obiegu orbity ok. 12 godzin, prędkość 7000 mil/h 10900 mil morskich n.p.m. ( km) – promień orbity Szacowany czas życia satelity 7.5 roku 1978 – wystrzelenie I satelity, 1994 – 24 satelity na orbitach

9 SEGMENT KOSMICZNY Satelity zasilane są energią słoneczną. W przypadku jej braku satelity zasilane są z zapasowych baterii Wyposażone są w silniki naprowadzające je na właściwą drogę Każdy satelita jest wyposażony w bardzo dokładny zegar (dokładność 3ns), po to aby bardzo dokładnie odmierzyć czas dotarcia sygnału od satelity do odbiornika

10 SEGMENT KOSMICZNY

11 SEGMENT STEROWANIA Bezzałogowe, naziemne stacje monitorującelokalizacja: Hawaje i Kwajalein na Pacyfiku; Diego Garcia na Oceanie Indyjskim; Ascension Island na Oceanie Atlantyckim; Colorado Springs odbierają sygnały z satelitów i wysyłają informacje do stacji sterowania Naziemna stacja sterowania lokalizacja: Colorado Springs. poprawia dane (położenie na orbicie, prędkość i zegary) z satelitów i wysyła poprawione dane do wszystkich satelitów, wprowadza korekty

12 SEGMENT STEROWANIA 4 naziemne stacje łączności, które wysyłają sygnał rozsiewczy do wszystkich satelitów systemu oraz śledzą i monitorują satelity.

13                                                                           SEGMENT STEROWANIA

14 SEGMENT UŻYTKOWNIKA - ODBIORNIKRóżne rodzaje: doręczne, przewoźne (montowane na statkach, w samochodach, samolotach itd), mogą być wbudowane w telefon komórkowy. Do jego zadań należy m.in. Odbieranie i dekodowanie sygnałów ,,satelitarnych''. Sygnały te po przetworzeniu przez mikroprocesor są danymi w postaci współrzędnych geograficznych, parametru prędkości i korekty zegara odbiornika. Wiodący producenci: Garmin, Colorado

15 SEGMENT UŻYTKOWNIKA - ODBIORNIKDo wyznaczenia lokalizacji odbiornika wymagane jest „widzenie” minimum 4 satelitów

16 SEGMENT UŻYTKOWNIKA - ODBIORNIKPodstawowe bloki odbiornika GPS Antena (może być aktywna) Tor wysokiej częstotliwości Blok cyfrowego przetwarzania sygnału (detekcja i przydzielanie kanałów) Procesor sterujący i pamięć Układy wejścia/wyjścia (wyświetlacz, klawiatura, port komunikacyjny) Układ zasilania (akumulatorki Ni-Cd lub Ni-MH lub baterie słoneczne)

17 SEGMENT UŻYTKOWNIKA - ODBIORNIKWspółpraca z komputerem to obecnie standard w świecie odbiorników GPS, choć oprogramowanie i kabel połączeniowy nie stanowi zazwyczaj wyposażenia podstawowego. Liczba równoległych kanałów odbiornika - obecnie produkowane odbiorniki mają ich 12 (jednocześnie odbiornik może widzieć 12 satelitów co zapewnia szybkie ustalenie pozycji i dokładny pomiar nawet w gęstym lesie lub niekorzystnym rozkładzie satelitów) i nie należy kupować innych. Starsze odbiorniki miały ich 8 lub mniej, a nawet były jednokanałowe z szybkim przełączaniem kanału na kolejne satelity Gdy jest mapa elektroniczna to podaje nam lokalizację na niej

18 ZASADA DZIAŁANIA SYSTEMU GPSDziałanie oparte jest na obliczeniu odległości między odbiornikiem GPS a satelitami, które są widziane przez odbiornik. Aby ustalić pozycję wystarczy aby namierzyć 3 satelity, przy 4 możliwe jest też wyznaczenie wysokości npm.

19 ZASADA DZIAŁANIA SYSTEMU GPS Odległości odbiornika od satelity?Odbiornik oblicza swoją lokalizację na podstawie dwóch wiadomości: lokalizacji satelity i odległości odbiornika od satelity Lokalizacja satelity? Odbiornik odbiera z satelity zakodowane informacje o orbicie na której znajduje się satelita i lokalizację na orbicie (Almanac data ) Odległości odbiornika od satelity? Odbiorniki użytkowników systemu GPS mierzą odległość od satelitów przez pomiar czasu, jaki potrzebny jest na przesłanie sygnału satelitarnego od satelity do anteny odbiornika s=c*Δt

20 ZASADA DZIAŁANIA SYSTEMU GPSPonieważ położenie satelity w momencie transmisji jest możliwe do określenia przy pomocy informacji z efemerydy, położenie odbiornika w przestrzeni trójwymiarowej jest obliczane poprzez triangulację na podstawie pomiarów odległości do kilku (trzech) satelitów.

21 ZASADA DZIAŁANIA SYSTEMU GPS

22 SYGNAŁ GPS Każdy satelita GPS wysyła sygnały na dwóch częstotliwościach: L  MHz, 19cm, odbierany przez cywilne odbiorniki) i L2 ( MHz, 24cm). Częstotliwości te, stanowiące wielokrotność częstotliwości podstawowej MHz Sygnały są modulowane dwoma kodami: 1.Kodem P (Precise) służącym do precyzyjnych pomiarów. Dostęp do kodu P daje możliwość natychmiastowego określania pozycji z dokładnością do 10 m, 2.Kodem C/A (Coarse/Clear Acquisition), służącym do pomiarów standardowych. Jest unikatowy dla każdej satelity. Dostęp do kodu C/A daje możliwość natychmiastowego określania pozycji z dokładnością 15 do 20 m, przy 95% poziomie ufności. Oba sygnały są ponadto modulowane tzw. depeszą nawigacyjną (a Navigation Message), zawierającą między innymi współrzędne satelity wyrażone w funkcji czasu (Broadcast Ephemeris), model opóźnienia jonosferycznego.

23 SYGNAŁ GPS

24 SYGNAŁ GPS Używane są niezależne kody dla wyróżnienia sygnałów z poszczególnych satelitów. Sygnał satelitarny zawiera dane o statusie systemu, tzw. efemerydę zawierającą dane orbitalne oraz charakterystyki zegarów. Są to sygnały o małej mocy 20-50W. Sygnały docierające do odbiornika z poszczególnych satelitów są poniżej poziomu szumów i do ich dekodowania stosowane są wyszukane techniki demodulacji. Przy stosowanych częstotliwościach sygnały rozchodzą się "optycznie”. Nie przechodzą przez przeszkody tj budynki, góry.

25 ŹRÓDŁA BŁĘDÓW Opóźnienia sygnału w jonosferze i troposferze – wbudowany model obliczający to opóźnienie Propagacja wielodrogowa sygnału – zwiększa czas przejścia sygnału

26 ŹRÓDŁA BŁĘDÓW Niedokładność zegara w odbiorniku – im dokładniejszy tym droższy odbiornik Liczba widocznych satelitów przez odbiornik – im więcej widzi satelitów tym większa dokładność lokalizacji wzajemne geometryczne rozmieszczenie satelitów - najgorszy przypadek, gdy satelity są w linii. Błąd orbity – Dokładność orbity satelity (odchyłka od teoretycznej) ma bezpośredni wpływ na dokładność określania pozycji odbiornika. Aby zminimalizować wpływ powyższych błędów na lokalizację stosuje się DGPS

27 ZASTOSOWANIA GPS Turystyka – żeglarstwo, wycieczki górskie i rowerowe (trzeba znać swoje położenie i trzymać się drogi): W każdej chwili na ekranie GPS-a dostępny jest super dokładny czas satelitarny, pokazana odległość do celu lub najbliższego punktu trasy, kierunek w którym mamy iść oraz przewidywany czas dotarcia. GPS oblicza też czas wschodu i zachodu Słońca dla dowolnego punktu, będziemy zatem wiedzieć, czy dotrzemy "za dnia" czy w nocy. ratownictwo górskie

28 ZASTOSOWANIA GPS balony z odbiornikami GPS do badania dziury ozonowejlokalizacja pojazdów ratowniczych (karetki, Policja) najbliżej wypadku odbiorniki GPS w samochodach: lokalizacja, poszukiwanie samochodów skradzionych, monitoring badanie migracji zwierząt zagrożonych wyginięciem (żółwie) W budownictwie – przy budowie górskich tunelów English Channel

29 MILITARNE ZASTOSOWANIA GPSOperacja Pustynna Burza konflikt w Zatoce Perskiej – 1000 (9000) odbiorników GPS czasowe wyłączanie SA użycie w samolotach: F-16, KC – 135, B – 52

30 DIFFERENTIAL GPS (DGPS)Zwiększenie precyzji tradycyjnego GPS do wartości 1-3m  Modyfikacja polega na umieszczeniu referencyjnego odbiornika znanej fizycznej lokacji Odbiornik ten zbiera dane ze wszystkich satelitów widocznych dla niego i oblicza różnice między jego lokacją (znaną), a tą obliczoną Założenie: dwa odbiorniki niedaleko siebie mają takie same błędy (podobne zakłócenia)

31 DIFFERENTIAL GPS (DGPS)Odbiornik referencyjny oblicza błąd dla sygnału z każdej satelity oddzielnie Odbiornik GPS musi być wyposażony w port komunikacyjny i połączony z odbiornikiem radiowym Zasięg stacji referencyjnej – do 150km

32 DIFFERENTIAL GPS (DGPS)Zasięg stacji referencyjnej – do 150km W Polsce sygnał korekcyjny dostępny jest jedynie na wybrzeżu Post Processing DGPS: wyznaczanie nowej trasy w celu późniejszego umieszczenia jej na mapie

33 INVERTED DGPS Nie ma potrzeby użycia drogich odbiorników DGPSRolę odbiornika DGPS odgrywa „tracking office”, Niezbędne elementy: jedna stacja referencyjna, komputer, standardowe odbiorniki GPS, oraz połączenie między centrum obliczeniowym i odbiornikami

34 NETWORK ASSISTED GPS (AGPS)Odbiornik GPS może być tanim kosztem umieszczony w urządzeniu przenośnym (np. telefonie) Problemy związane z implementacją tradycyjnego odbiornika GPS w urządzeniu przenośnym: w przypadku inicjalizacji działania czas potrzebny na rozpoczęcie śledzenia satelitów waha się od 30 sekund do kilku minut słabe efekty w przypadku pracy w „trudnym” środowisku, gdzie sygnał GPS jest słaby (tereny zurbanizowane, wnętrza budynków, gęste listowie)

35 NETWORK ASSISTED GPS (AGPS)Problemy związane z implementacją tradycyjnego odbiornika GPS w urządzeniu przenośnym cd. : problem w przypadku interferencji wielodrogowych – sygnał ulega refrakcji aby zminimalizować powyższe efekty odbiorniki GPS wyposażane są do 12 równolegle działających odbiorników problemy z zasilaniem (ciągłe działanie) Rozwiązaniem jest technologia AGPS

36 NETWORK ASSISTED GPS (AGPS)

37 Inne systemy nawigacji satelitarnejNAVSAT Navy Navigation Satellite System (NAVSAT, znany również pod nazwą TRANSIT lub Sat - Nav) starszy system wykorzystujący satelity na orbitach biegunowych. informacja o pozycji w przybliżeniu co godzinę podczas pomiaru wymagane jest, aby odbiornik znajdował się na wyznaczanej pozycji lub aby poruszał się po określonym kursie ze znaną prędkością.

38 Inne systemy nawigacji satelitarnejGLONASS GLONASS – rosyjski system podobny do GPS Dokładność lepsza od GPS z SA gorsza od niezakłócanego GPS kłopoty finansowe wojsk rosyjskich – niesprawne satelity skuteczność systemu GLONASS jest w tej chwili nieporównywalnie niższa od odpowiednika amerykańskiego. Dwusystemowe odbiorniki (GPS + GLONASS) produkuje np.firma Ashtec.

39 ŹRÓDŁO INFORMACJI O GPS- Introduction to GPS - GPS - GPS FAQ - Wszystko o GPS - Colorado GPS Dublin Bus Tracking Service