USŁUGI LOKALIZACYJNE CZ.1 SATELITARNY SYSTEM LOKALIZACJI GPS Piotr Skulimowski Piotr Wiśniewski

1. USŁUGI LOKALIZACYJNE CZ.1 SATELITARNY SYSTEM LOKALIZACJI GPS 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 ? • GlobalnySystem Pozycjonowania (GlobalPositioning 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 powszechnejdostępności sygnałusatelitarnego 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 2000-05-01 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 samegoodbiornika, 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. (20204.24km) – 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 monitorujące • lokalizacja: 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 - ODBIORNIK • Różne 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 - ODBIORNIK Do wyznaczenia lokalizacji odbiornika wymagane jest „widzenie” minimum 4 satelitów

16. SEGMENT UŻYTKOWNIKA - ODBIORNIK • Podstawowe 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 - ODBIORNIK • Współpraca 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 GPS Działanie 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 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 GPS Ponieważ 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: L1 1575.42 MHz, 19cm, odbierany przez cywilne odbiorniki) i L2 (1227.60MHz, 24cm). Częstotliwości te, stanowiące wielokrotność częstotliwości podstawowej - 10.23 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 ozonowej • lokalizacja 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 GPS • Operacja 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 DGPS • Rolę 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 satelitarnej NAVSAT • 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 satelitarnej GLONASS • 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 • www.aero.org/publications/GPSPRIMER/Intro.html - Introduction to GPS • www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps.html - GPS • http://www.gps.pl/info/gps_faq.html - GPS FAQ • http://sr3dpp.ampr.poznan.pl/~sp3vss/gps/gps.html - Wszystko o GPS • http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps - Colorado GPS • Dublin Bus Tracking Service