Asistované GPS - diplom.utc.skdiplom.utc.sk/wan/2432.pdf · function, architecture and provided services. K ... MPC/GMLC Mobile Positioning Centre /Gateway Mobile Location Centre

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

Asistované GPS

Peter Jašurek

2008

Asistované GPS

BAKALÁRSKA PRÁCA

Peter Jašurek

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

Študijný odbor : Telekomunikácie

Vedúci bakalárskej práce : Ing. Peter Brída, PhD.

Stupeň kvalifikácie : bakalár (Bc.) Dátum odovzdania bakalárskej práce : 6.6 2008

ŽILINA 2008

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakul ta

KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ Univerzitná 1, 010 26 Žilina

Akademický rok 2007/2008

ZADANIE BAKALÁRSKEJ PRÁCE

Meno, priezvisko: Peter Jašurek Študijný odbor: Telekomunikácie Študijný program: Telekomunikácie Téma bakalárskej práce: Určovanie polohy pomocou systému

Assisted GPS (AGPS)

Pokyny pre vypracovanie bakalárskej práce:

Pokyny pre vypracovanie bakalárskej práce:

Vedúci bakalárskej práce: Ing. Peter Brída, PhD., Katedra telekomunikácií, EF, Žilinská univerzita v Žiline

Dátum odovzdania bakalárskej práce: 06. 06. 2008

prof. Ing. Milan Dado, PhD. vedúci katedry

Žilina 26. 10. 2007

1. Dôkladný rozbor systému AGPS (architektúra...).

2. Dôkladný rozbor potenciálnych koncových zariadení.

Abstrakt Bakalárska práca sa zaoberá opisom systému Asistovaného GPS (AGPS). V prvej

časti je opísaný samotný systém GPS, ktorý tvorí podstatnú zložku AGPS. V druhej časti

sa práca zaoberá rôznymi princípmi určovania polohy pomocou satelitných systémov. V

tretej časti je opísaná Celosvetová referenčná sieť, pomocou ktorej môžu byť dáta dodané

do AGPS prijímača a dve základné riešenia asistenčnej siete. V ďalšej časti je opísaná

architektúra SUPL systému ako aj príklad spojenia. V piatej časti sú uvedené niektoré

možné AGPS zariadenia. V poslednej časti sú uvedené výsledky vykonaných meraní.

Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická faku lta,

Katedra telekomunikácií

ANOTAČNÝ ZÁZNAM - BAKALÁRSKA PRÁCA

Priezvisko, meno: Jašurek Peter školský rok: 2007/2008

Názov práce: Asistované GPS

Počet strán: 41 Počet obrázkov: 13 Počet tabuliek: 4

Počet grafov: 0 Počet príloh: 3 Použitá lit.: 14

Anotácia:

Táto bakalárska práca popisuje systém nazývaný Asistované GPS (AGPS).

Zaoberá sa dvomi možnými riešeniami sietí na dodanie asistenčných dát do AGPS

prijímača pričom hlavný dôraz je kladený na User Plane riešenie nazvané SUPL, na jeho

funkciu, architektúru a poskytované služby.

Anotácia v cudzom jazyku:

This bachelor work describes system called Assisted GPS (AGPS). It is concerded

with two possible solutions of network for delivering the assistance data to AGPS

receiver while the main emphasis is based on User Plane solution called SUPL, on its

function, architecture and provided services.

Kľúčové slová: AGPS, GPS, TTFF, asistenčné dáta, WWRN, Control Plane, User Plane,

SUPL.

Vedúci práce: Ing. Peter Brída, PhD.

Recenzent práce: Ing. Peter Čepel, PhD.

Dátum odovzdania práce: 06.06.2008

Obsah I

OBSAH

Obsah ................................................................................................................... I

Zoznam obrázkov a tabuliek .......................................................................... III

Zoznam použitých skratiek..............................................................................IV

1 Úvod ..................................................................................................................1

2 Globálny polohový systém GPS......................................................................2

2.1 Kozmická zložka ........................................................................................2

2.2 Riadiaca zložka...........................................................................................3

2.3 Používateľská zložka ..................................................................................3

2.4 Služby GPS.................................................................................................4

2.4.1 PPS - Presná polohová služba .......................................................................4

2.4.2 SPS - Štandardná polohová služba ................................................................4

2.5 GPS Satelitné signály .................................................................................4

2.6 GPS dáta .....................................................................................................5

2.7 Čas potrebný pre prvé určenie polohy ........................................................7

3 Princípy určovania polohy..............................................................................8

3.1 DGPS ........................................................................................................10

3.2 Lokalizácia v GPS pomocou merania fázy nosného signálu....................11

3.3 EGNOS.....................................................................................................13

4 Asistovaný globálny polohový systém - AGPS............................................15

4.1 Koncept AGPS..........................................................................................15

4.2 Celosvetová referenčná sieť WWRN .......................................................16

4.3 Asistenčné dáta .........................................................................................18

4.4 Módy určenia polohy MS .........................................................................20

4.4.1 Určenie polohy sieťou ..................................................................................20

4.4.2 Určenie polohy v MS....................................................................................20

4.5 Control Plane a User Plane riešenia..........................................................21

Obsah II

4.5.1 Control Plane riešenie .................................................................................22

4.5.2 User Plane riešenie ......................................................................................23

5 Bezpečná User Plane lokalizácia SUPL .......................................................24

5.1 SUPL Služby ............................................................................................25

5.1.1 Skupina lokalizačných služieb SUPL ...........................................................26

5.1.2 Skupina lokalizačných funkcií SUPL...........................................................28

5.2 SUPL Systém a Subsystém.......................................................................29

5.2.1 SUPL Lokalizačná Platforma SLP...............................................................29

5.2.2 SUPL Lokalizačné Centrum SLC (SUPL Location Centre).........................29

5.2.3 SUPL Polohové Centrum SPC.....................................................................30

5.2.4 Terminál s podporou SUPL SET..................................................................30

5.2.5 Komunikačné mechanizmy a rozhrania zahrnuté v Lup-e ...........................30

5.3 Varianty spojení pri získavaní asistenčných dát:......................................31

5.3.1 Príklad úspešného spojenia – Proxy mód bez Roamingu.............................32

6 AGPS a GPS Zariadenia...............................................................................35

6.1 Hp hw 6515 - AGPS.................................................................................35

6.2 Mio P550 - GPS........................................................................................35

6.3 WondeX BT-100Y....................................................................................36

7 Merania...........................................................................................................37

7.1 Mestské prostredie ....................................................................................37

7.2 Predmestské prostredie .............................................................................38

7.3 Vidiecke prostredie...................................................................................38

8 Záver ...............................................................................................................40

9 Zoznam použitej literatúry ...........................................................................42

Prílohy.............................................................Chyba! Záložka nie je definovaná.

Zoznam obrázkov a tabuliek III

ZOZNAM OBRÁZKOV A TABULIEK

Obrázok 2.1 Štruktúra GPS..............................................................................................2

Obrázok 2.2 GPS Satelitné Signály..................................................................................5

Obrázok 2.3 Štruktúra GPS rámca ...................................................................................7

Obrázok 3.1 Vymedzenie dvoch možných polôh.............................................................8

Obrázok 3.2 Synchronizácia C/A kódov satelitu a prijímača...........................................9

Obrázok 3.3 Posunutie GPS signálov počas šírenia prostredím.....................................11

Obrázok 3.4 Určovanie polohy pomocou Merania fázy nosného signálu GPS .............12

Obrázok 4.1 Koncept AGPS...........................................................................................16

Obrázok 4.2 Celosvetová WWRN .................................................................................17

Obrázok 4.3 Architektúra Control Plane........................................................................22

Obrázok 4.4 Architektúra User Plane.............................................................................23

Obrázok 5.1 SUPL Architektúra ....................................................................................25

Obrázok 5.2 SUPL Úspešné spojenie.............................................................................32

Tabuľka 3.1 Porovnanie dosahovaných výsledkov v rôznych situáciách [3] ............10

Tabuľka 7.1 TTFF v mestskom prostredí.......................................................................37

Tabuľka 7.2 TTFF v predmestskom prostredí................................................................38

Tabuľka 7.3 TTFF vo vidieckom prostredí ....................................................................38

Zoznam použitých skratiek IV

ZOZNAM POUŽITÝCH SKRATIEK

3GPP The 3rd Generation PartnershipProject

Partnerský projekt tretej generácie

A-FLT Advanced Forward Link Trilateration

Pokročilá trilaterácia založená na meraní fázového rozdielu signálov

AGPS Assisted Global Position System Asistovaný globálny polohový systém

Cell ID Cell Identification Identifikácia bunky

Client-id Client identification Identifikácia klienta

DGPS Differential Global Position System

Diferenciálny globálny polohový systém

EGNOS European Geostationary Navigation Overlay Service

Európska geostacionárna polohová služba

E-OTD Enhanced Observed Time Difference

Rozšírené pozorovanie časového rozdielu

ESA European Space Agency Európska vesmírna agentúra

H-SLP Home - SUPL Location Platform

Domáca SUPL lokalizačná platforma

H-SPC Home - SUPL Positioning Center

Domáce SUPL polohové centrum

GLONASS Global Orbiting Navigation Satellite System

Globálny orbitálny polohový satelitný systém

GPRS General Packet Radio Service Všeobecná rádiová paketová služba

GPS Global Position System Globálny polohový systém

GSM Global System for Mobile Communication

Globálny systém pre mobilnú komunikáciu

IANA Internet Assigned Numbers Authority

Internetová štandardizačná organizácia

IMSO International Mobile Satellite Organization

Medzinárodná mobilná satelitná organizácia

Key ID Key Identification Identifikácia kľúča

LBS Location Based Service Lokalizačná služba

LDC Location Distribution Control Distribuované riadenie polohy

LMU Location Management Unit Lokalizačná jednotka

Zoznam použitých skratiek V

Location ID Location Identification Identifikácia polohy

LoS Line of Sight Neprerušený kontakt so satelitom

MAC Message Authentication Code Autentifikačný kód správy

MCS Master Control Station Hlavná riadiaca stanica

MLP Mobile Location Protocol Protokol mobilného určenia polohy

MLS Mobile Location Services Mobilné lokalizačné služby

MPC/GMLC Mobile Positioning Centre /Gateway Mobile Location Centre

Mobilné lokalizačné Centrum / Brána lokalizačného centra

MS Mobile Station Mobilná Stanica

MS-id Mobile Station-identification Identifikácia MS

NMR Network Measurement Report Správa sieťových meraní

OMA Open Mobile Alliance Štandardizačná organizácia

OTDOA Observed Time Difference of Arrival

Pozorovaný rozdiel časov príchodu

PAP Push Access Protocol Protokol prenosu Push správy

PDA Personal Digital Assistant Osobný Vreckový Počítač

POTAP Push Over-The-Air Protocol Protokol bezdrôtového prenosu Push správy

PPG Push Proxy Gateway Brána preklenutia PAP a POTAP

PPR Privacy Profile Register Register profilu súkromia

PPS Precise Positioning Service Presná polohová služba

PRN Pseudo Random Noise Pseudonáhodný šum

QoP Quality of Position Kvalita určenia polohy

RAM Random Access Memory Operačná pamäť

RIMS Ranging and Integrity Monitoring Stations

Stanice sledujúce integritu a rozsah

ROM Read Only Memory Permanentná pamäť

RRC Radio Resource Control „Control Plane“ signalizačný protokol tretej vrstvy

Zoznam použitých skratiek VI

RRLP Radio Resource LCS Protocol Protokol prenosu LCS dát medzi MS a SMLC

RTK Real Time Kinematic Meranie v reálnom čase

SADF SUPL Assistance Delivery Function

Funkcia SUPL doručenia asistenčných dát

SCF SUPL Charging Function Funcia SUPL Spoplatnenia

Session-id Session Identification Identifikátor spojenia

SET SUPL Enabled Terminal Termináli s podporou SUPL

SIF SUPL Initiation Function Funkcia SUPL inicializácie

SLC SUPL Location Centre SUPL lokalizačné centrum

SLP SUPL Location Platform SUPL lokalizačná platforma

SMLC Serving Mobile Location Centre Obsluhujúce mobilné lokalizačné centrum

SMS Short Message Service Služba krátkych správ

SMSC Short Message Service Center Centrum služby krátkych správ

SPC SUPL Positioning Center SUPL polohové centrum

SPCF SUPL Position Calculation Function

Funkcia SUPL určenia polohy

SPF SUPL Privacy Function Funkcia SUPL Súkromia

SPS Standard Positioning Service Štandardná polohová služba

SRRF SUPL Reference Retrieval Function

Funkcia SUPL získavania referenčných dát

SRSF SUPL Roaming Support Function

Funkcia SUPL podpory roamingu

SSF SUPL Security Function Funkcia SUPL zabezpečenia

SSH Secure Shell Protokol zabezpečenia kanála

SSMF SUPL Service Management Function

Funkcia SUPL riadenia polohy

SSPF SUPL SET Provisioning Function

Funkcia SUPL pridelenia adresy SET-u

SUPL Secure User Plane Location Bezpečná User Plane lokalizácia

TIA Telecommunications Industry Association

Asociácia pre Telekomunikácie

Zoznam použitých skratiek VII

ToA Time of Arrival Čas príchodu

TCP/IP Transmission Control Protocol Internet Protokol /

Protokol riadenia prenosu/ Internet protokol

TTFF Time To First Fix Čas do prvého určenia polohy

ULP User Plane Location Protocol User Plane lokalizačný protokol

UMTS Universal Mobile Telecommunication System

Univerzálny mobilný telekomunikačný systém

UTC Universal Time Coordinated Univerzálny koordinačný čas

V-SLP Visited-SUPL Location Platform

Hosťujúca SUPL lokalizačná platforma

V-SPC Visited - SUPL Positioning Center

Hosťujúce SUPL polohové centrum

WAP Wireless Aplication Protocol Bezdrôtový aplikačný protokol

WGS84 World Geodetic System 1984 Svetový geodetický systém

WWRN Worldwide Reference Network Celosvetová referenčná sieť

Úvod 1

1 ÚVOD

Asistovaný globálny polohový systém AGPS (Assisted Global Position System)

je technológiou významne zlepšujúcou doterajšie možnosti navigácie hlavne

v mestských častiach, kde je veľké krytie zo strany budov. AGPS technológia je

spojená hlavne s Lokalizačnou službou LBS (Location Based Service) v bunkových

sieťach. Odlišuje sa od doteraz používaného Globálneho polohového systému (Global

Position System) pridaním ďalšieho elementu pri určovaní polohy, ktorý sa nazýva

asistenčný server. Vďaka tomu dokáže AGPS poskytovať lokalizačné služby s väčšou

presnosťou ako je tomu u doterajšieho GPS systému. Významne zlepšuje čas potrebný

pre prvé určenie polohy TTFF (Time To First Fix). Využitím lokalizačnej služby

v bunkovej sieti dokáže určiť polohu v nepriaznivých podmienkach kedy klasické GPS

zlyháva.

Globálny polohový systém GPS 2

2 GLOBÁLNY POLOHOVÝ SYSTÉM GPS

Významnú časť AGPS systému tvorí samotný GPS systém. Systém tvorí

sústava 24 satelitov vysielajúcich navigačné signály, ktoré umožňujú mobilnej stanici

MS (Mobile Station) s GPS prijímačom určiť svoju polohu kedykoľvek a kdekoľvek na

zemi.

GPS systém tvoria tri zložky:

� Kozmická

� Riadiaca

� Používateľská

Obrázok 2.1 Štruktúra GPS

2.1 Kozmická zložka

Kozmická zložka GPS systému je tvorená sústavou 24 satelitov, z ktorých 21 je

aktívnych a 3 sú aktívne záložné. Satelity sú rozmiestnené na šiestich obežných

dráhach. „Obiehajú vo výške 20200 km so sklonom 55 stupňov k rovníku. Obežná

dráha družíc sa vzhľadom na povrch mení veľmi málo (o 4 minúty skôr každý deň)“[2].

Satelity obiehajú Zem s rýchlosťou 3,9 km za sekundu a rovnakú polohu nad daným

bodom zopakujú za 11 h 58 min. Každý satelit je vybavený prijímacou a vysielacou

anténou, atómovými hodinami, tryskami pohonu, akumulátormi ktoré majú k dispozícii


solárne panely s plochou 7,2 m2 a radom ďalších prístrojov, ktoré slúžia pre navigáciu

alebo iné špecifické účely (napr. pre detekciu výbuchu jadrových náloží). Satelit

prijíma, spracováva, uchováva a vysiela informácie z/do pozemného riadiaceho centra,

na základe ktorých môže korigovať svoju dráhu tryskami, alebo informuje o svojom

stave riadiace centrum. Každý satelit váži približne 900 kg a cena jedného je

odhadovaná na 50 miliónov dolárov [3].

2.2 Riadiaca zložka

Riadiaca zložka je tvorená systémom hlavnej riadiacej stanice a štyroch

monitorovacích pozemných staníc umiestnených v rôznych častiach sveta. Hlavná

riadiaca stanica MCS (Master Control Station) je umiestnená blízko leteckej základne

Falcon v Colorade. Monitorovacie stanice pasívne sledujú satelity, prijímajú ich dáta, a

tieto predávajú MCS. Tu sú na základe prijatých dát vypočítané presné parametre

obežných dráh (efemeridy) a časové korekcie hodín pre jednotlivé satelity. Vysielacie

stanice potom tieto parametre minimálne raz denne odovzdajú satelitom. Tie potom

vysielajú pomocou rádiových signálov efemeridy svojich obežných dráh a presný čas

používateľom do GPS prijímačov [3].

2.3 Používateľská zložka

Používateľská zložka je tvorená GPS prijímačmi a používateľmi samotnými.

GPS prijímače môžu vykonávať na základe prijatých signálov zo satelitov predbežné

výpočty polohy, rýchlosti a času. Na určenie všetkých štyroch súradníc (X,Y,Z a čas)

je potrebné prijímať signály aspoň zo štyroch satelitov. Prijímače sa delia na

jednokanálové a viackanálové. Jednokanálové prijímače sú vybavené len jedným

vstupným kanálom, takže pri sledovaní viacerých satelitov musia postupne prepínať

tento vstupný kanál na jednotlivé satelity. Viackanálové prijímače majú dostatočný

počet vstupných kanálov, aby mohli súčasne sledovať všetky dostupné satelity a tým

zvyšovať presnosť výpočtu. Jednou zo základných úloh GPS je navigácia v

trojrozmernom priestore. Preto sú navigačné GPS prijímače určené práve pre lietadlá,

lode, pozemné vozidlá, a pre použitie jednotlivcami [3].


2.4 Služby GPS

Používatelia GPS môžu používať dve rozdielne služby na určovanie polohy.

2.4.1 PPS - Presná polohová služba

Presná polohová služba (Precise Positioning Service). Túto službu môžu

používať len autorizovaní používatelia s kryptografickými zariadeniami a špeciálne

upravenými prijímačmi.

PPS predpokladaná presnosť:

� 22 metrov horizontálna presnosť,

� 27.7 metrov vertikálna presnosť,

� 200 nanosekúnd časová presnosť.

2.4.2 SPS - Štandardná polohová služba

Štandardná polohová služba (Standard Positioning Service). Táto služba je

dostupná pre komerčné využitie a podporuje ju väčšina GPS prijímačov. Služba je

bezplatná a bez obmedzenia.

SPS predpokladaná presnosť:

� 100 metrov horizontálna presnosť,

� 156 metrov vertikálna presnosť,

� 340 nanosekúnd časová presnosť.

2.5 GPS Satelitné signály

Satelity vysielajú dve mikrovlnné nosné vlny

� L1 s frekvenciou 1575,42 MHz prenáša navigačnú správu a SPS signál,

� L2 s frekvenciou 1227,60 MHz používaná na meranie ionosférického

oneskorenia v PPS prijímačoch.

� „Kód C/A moduluje fázu nosnej frekvencie L1. C/A kód opakuje 1 MHz-ový

pseudonáhodný kódový šum (Pseudo Random Noise). Tento šumový kód

moduluje nosný signál L1, rozširujúc šírku pásma na vyše 1 MHz. Kód C/A sa

opakuje každú milisekundu. Toto vyplýva z požadovaného zisku 30dB. Preto

GPS prijímače nepotrebujú veľké prijímacie antény. Každý satelit má iný C/A

kód. GPS satelity sú identifikované podľa ich Pseudonáhodného čísla,

jedinečného identifikátora pseudonáhodného kódového šumu. Táto technológia


umožňuje identifikovať každý satelit, hoci všetky vysielajú na tej istej

frekvencii L1. Kód C/A sa používa pre civilné použitie SPS“ [2].

� P kód moduluje fázy oboch nosných frekvencií L1 a L2 ako je ukázané na

Obrázku 2.2. P kód je veľmi dlhý 10 MHz-ový PRN kód. P kód je v špeciálnom

móde šifrovaný na Y kód. „Y kód potrebuje klasifikovaný modul pre každý

prijímací kanál a je používaný iba autorizovanými používateľmi s

kryptografickými kľúčmi. P(Y) kód sa používa pre systém PPS“ [2].

� „Navigačná správa je taktiež modulovaná kódom L1 - C/A . Táto správa je

50Hz-ový signál pozostávajúci z dát, ktorý obsahuje informácie o dráhe satelitu,

hodinovej korekcii a ďalšie parametre“ [2].

Obrázok 2.2 GPS Satelitné Signály

2.6 GPS dáta

GPS navigačná správa pozostáva z dátových rámcov a subrámcov. Prvé tri

subrámce obsahujú orbitálne a časové dáta. Satelitné hodinové korekcie sú posielané

v prvom subrámci a presné satelitné orbitálne nastavenia (efemeridy) pre vysielanie

satelitu v druhom a treťom subrámci.

Subrámce štyri a päť sa používajú na prenos iných systémových dát. Celý set 25

rámcov (125 subrámcov) vytvára kompletnú navigačnú správu, ktorá sa vysiela

v intervale 12,5 minúty ako je znázornené na Obrázku 2.3.

� Dátové rámce (1500bit) sú posielané každých 30 sekúnd. Každý rámec

pozostáva z 5 subrámcov.

� Dátové subrámce (300 bitov prenášaných počas 6 sekúnd) obsahujú paritné bity,

ktoré umožňujú kontrolu dát a korekcie chýb.


� Dáta časových parametrov popisujú satelitné hodiny a ich naviazanie na GPS

čas.

� Efemeridy popisujú dráhu satelitu pre časť jeho obežnej dráhy, takže budeme

presne vedieť kde sa satelit bude nachádzať o pár hodín. Obvykle, prijímač

zbiera nové efemeridy každú hodinu, ale môže používať aj staré dáta po štyri

hodiny bez vážnejších chýb. Efemeridy sú využívané s algoritmom, ktorý

vypočíta pozíciu satelitu pre akýkoľvek čas v rámci periódy obežnej dráhy

popísanej nastavenými efemeridami.

� Almanachy sú približné parametre obežnej dráhy pre všetky satelity. Desať-

parametrové almanachy popisujú obežné dráhy satelitu počas dlhšej časovej

periódy a nastavenie pre všetky satelity je vysielané každým satelitom počas

periódy 12,5 minúty (najmenej). Čas získania signálu pri štarte prijímača

(TTFF) môže byť významne zlepšený dostupnosťou súčasného almanachu.

Približné dáta obežných dráh sú používané na prenastavenie prijímača

s približnou polohou a nosnou Dopplerovou frekvenciou (zmena frekvencie

zapríčinená rýchlosťou zmeny pohybujúceho sa satelitu) každého satelitu

v zoskupení.

� Každý kompletný súbor satelitných dát obsahuje ionosférický model používaný

v prijímači, ktorý slúži na približné určenie fázového oneskorenia spôsobeného

ionosférou v akomkoľvek mieste a čase.

� Každý satelit posiela určité dáta, podľa ktorých je nastavovaný GPS čas z

Univerzálneho koordinačného času UTC (Universal Coordinated Time) čo je

vysoko presný štandard definovaný medzinárodným atómovým časom.

Korekcia času môže byť použitá prijímačom na nastavenie UTC s presnosťou

100 ns.

� posielajú sa ďalšie systémové parametre a flagy, ktoré charakterizujú detaily

systému[3].


Obrázok 2.3 Štruktúra GPS rámca

GPS dáta ako almanach, efemeridy a daľšie popísané v tejto kapitole sú

podstatné z pohľadu AGPS, pretože asistenčné dáta prenášané z referenčnej siete do

MS obsahujú v podstate tie isté dáta ako kompletný GPS rámec.

2.7 Čas potrebný pre prvé určenie polohy

Čas potrebný pre prvé určenie polohy sa nazýva TTFF (Time To First Fix). Sú

tri štádiá, v ktorých sa môže nachádzať GPS prijímač pri zapnutí:

Studený štart

GPS prijímač zapneme. Po dlhom časovom intervale, kedy bol vypnutý a už

neobsahuje efemeridy ani almanach, nemá vedomosť o poslednej polohe, približnom

GPS čase alebo konštelácii satelitov. Studený štart predstavuje najdlhší čas pre prvú

lokalizáciu TTFF pre prijímač GPS. Môže trvať od jednej minúty až po niekoľko

minút.

Teplý štart

Nastane keď prijímač už má približný GPS čas, svoju poslednú polohu

a almanach. Efemeridy nie sú aktuálne alebo sú vymazané. Neaktuálne informácie sa

použijú ak sa prijímač snaží určiť polohu. Teplý štart trvá obvykle o 5 až 15 sekúnd

menej ako studený štart.

Horúci štart

Trvá väčšinou od 1 do 5 sekúnd. Prijímač musí vykonať aktualizáciu efemeríd

a všetkých ostatných parametrov, ktoré sú nevyhnutné.

Princípy určovania polohy 8

3 PRINCÍPY URČOVANIA POLOHY

GPS systém je založený na princípe trilaterácie. Trilaterácia vychádza

z predpokladu, že ak poznáme presnú polohu troch bodov v priestore vzhľadom k nám,

dokážeme určiť našu polohu. Potom miesto priesečníku vzdialeností týchto bodov od

nás určuje našu polohu. V GPS sa za tieto vzdialenosti považujú vzdialenosti od

satelitov.

GPS prijímač vypočíta 3D polohu (zemepisná šírka, dĺžka a nadmorská výška).

Vypočítaná vzdialenosť medzi GPS prijímačom a satelitom je polomer gule, ktorej

stredom je satelit. V mieste, kde sa tieto pomyselné gule pretnú leží lolalizovaný GPS

prijímač. Získaním dát z troch satelitov vedie k určeniu dvoch miest kde sa gule

pretínajú ako ukazuje obrázok 3.1.

Obrázok 3.1 Vymedzenie dvoch možných polôh

Preto musíme urobiť ešte štvrté meranie. Štvrtým parametrom potrebným

k výpočtu polohy je čas tD, za ktorý prejde signál zo satelitu do prijímača. Získame ho

jednoduchým výpočtom :

Dtcd .= (3.1)

Pričom rýchlosť šírenia elektromagnetického lúča c je približne 300 000 km/s.

Problém je, že signál zo satelitu nemá synchronizovanú časovú základňu so signálom v

prijímači. Preto je meranie času šírenia signálu dosiahnuté synchronizovaním C/A

kódu (alebo P(Y) kódu) prijímača vzhľadom k C/A kódu prijatého zo satelitu. Toto

prispôsobenie sa vykonáva v zariadení nazývanom korelátor GPS. Fázová poloha kódu

C/A sa v prijímači mení, dokiaľ autokorelácia nedáva maximum. Časový posun, ktorý

Dve možné polohy

používateľa


je pri tom potrebný sa používa na určenie času šírenia signálu od satelitu k prijímaču

GPS ako je ukázané na Obrázku 3.2.

Obrázok 3.2 Synchronizácia C/A kódov satelitu a prijímača

Keďže hodiny prijímača nemajú rovnakú presnosť ako atómové hodiny

v satelite (presnosť väčšia ako 10-13), meraný čas je zaťažený chybou δ, ktorú musíme

zahrnúť do výpočtu polohy. Definujme polohu prijímača na zemi, ktorú chceme určiť v

3D priestore súradnicami X, Y, Z. Označme vzdialenosť od satelitu číslo S ako DS,

ktorú je možné zistiť z doby šírenia signálu ∆tS od satelitu k prijímaču a z rýchlosti

svetla c :

δ..)()()( 222 ctcZZYYXXD SSSSS +∆=−+−+−=

kde XS, YS, ZS sú parametre satelitu určujúce jeho polohu. Pre polohu prijímača

dostaneme štyri neznáme X, Y, Z a δ. Na základe meraní zo štyroch rôznych satelitov

môže prijímač vyriešením príslušnej sústavy lineárnych rovníc vypočítať požadované

štyri neznáme [2].


3.1 DGPS

Diferenciálny globálny polohový systém (Differential Global Position System)

bol navrhnutý na zvýšenie presnosti, ktorú dosahuje GPS prijímač. Faktory nepresnosti

ktoré musí GPS prijímač riešiť sú najmä časové oneskorenie spôsobené vrstvami

atmosféry, hodiny v satelite a v prijímači. Dokáže to pomocou merania časovej

nepresnosti všetkých satelitov v dosahu a vysielaním tejto informácie všetkým DGPS

prijímačom v okolí. DGPS sa spolieha na fakt, že satelitný signál má rovnaké časové

oneskorenie pre referenčný prijímač ako pre všetky ostatné DGPS prijímače v dosahu

niekoľkých stoviek kilometrov.

Takáto oblasť je malá z pohľadu šírenia satelitného signálu, takže časové

oneskorenie je rovnaké v celej oblasti. Referenčný prijímač vypočíta časové

oneskorenie použitím „spätného“ prepočtu.

„Porovnávaním jeho polohy vypočítanej zo satelitných dát s jeho presne

zameranou polohou na Zemi, môže referenčný prijímač zisťovať rozdiel medzi

nameranou a skutočnou vzdialenosťou od všetkých viditeľných satelitov“ [2].

Referenčný prijímač vysiela správu s presným časovým oneskorením známym

komunikačným kanálom. DGPS prijímač prijíme správu a na základe známeho

časového oneskorenia v oblasti dokáže zlepšiť presnosť určovania svojej polohy.

Jediný problém DGPS riešenia je, že referenčný prijímač môže pracovať iba pre

konkrétnu oblasť takže je potrebné veľké množstvo referenčných prijímačov na

pokrytie veľkého územia čoho dôsledkom je vyššia cena riešenia DGPS, ale zároveň aj

lepšia presnosť ako môžeme vidieť v tabuľke 3.1 [1].

Tabuľka 3.1 Porovnanie dosahovaných výsledkov v rôznych situáciách [3] GPS SIGNÁLY

GPS PRÍSTUP ODHADOVANÁ PRESNOSŤ

ODHADOVANÁ CENA PRIJÍMA ČA L1 C/A

KÓD L1 P KÓD

L1 NOSNÁ

L2 P KÓD

L2 Y KÓD

SPS NAVIGÁCIA 100m 100€ X

SPS DIFERENCIÁLNA < 30 km 10m 500€ X

SPS DIFERENCIÁLNA < 30 km 1m 500€ X

PPS NAVIGÁCIA 10m 1000€ X X X

ANTI-SPOOFING NAVIGÁCIA 10m 2000€ X X X X X

L1 MERANIE FÁZY NOSNÉHO SIGNÁLU 0,1m 1000€ X X

L1 L2 MERANIE FÁZY NOSNÉHO SIGNÁLU 0,01m 1500€ X X X X


3.2 Lokalizácia v GPS pomocou merania fázy nosného signálu

Meranie fázy nosného GPS signálu vyvolalo revolúciu v kryptografických

meraniach. Poloha môže byť určená na veľké vzdialenosti od referenčného bodu bez

akýchkoľvek prechodných bodov. Takéto využitie GPS systému vyžaduje špeciálne

vybavený prijímač schopný merať fázu nosného signálu.

Pri meraní fázy nosného signálu sú využívané nosné signály L1 a L2. L1

prenáša cykly s vlnovou dĺžkou 19 cm.

V podstate táto metóda meria presný počet periód nosného signálu medzi

satelitom a prijímačom ako ukazuje Obrázok 3.3. Problémom je, že cykly nosného

signálu sú rovnaké a preto je ich ťažké rozoznať a spočítať. Každý cyklus vyzerá ako

všetky ostatné. Na druhej strane pseudonáhodný kód je zámerne zložitý aby bolo ľahšie

rozoznať jednotlivé cykly.

Obrázok 3.3 Posunutie GPS signálov počas šírenia prostredím

Najmenej dva prijímače sledujú nosné signály v rovnakom čase. Rozdiely v

ionosférickom oneskorení musia byť dosť malé na zabezpečenie, že periódy nosnej

vlny sú správne spočítané. Takýto princíp väčšinou vyžaduje aby boli dva prijímače

vzdialené od seba približne 30 kilometrov. Fáza nosného signálu je sledovaná na oboch

prijímačoch a zmeny fázy sú zaznamenané v oboch prijímačoch počas sledovania

signálu.


Oba prijímače, referenčný aj vzdialený, musia byť tak blízko, aby ionosférické

oneskorenie nebolo väčšie ako vlnová dĺžka nosného signálu. Použitím L1-L2

ionosférických meraní a dlhých priemerných časov meraní, môžu byť vzájomné polohy

nepohyblivých strán určené cez základňové čiary dlhé stovky kilometrov. Rozdiely vo

fáze v dvoch prijímačoch sú obmedzené použitím programu na rozčlenenie na tri

pozičné úrovne medzi referenčnou stanicou a vzdialeným prijímačom. Pri meraní fázy

nosného signálu je možné robiť vysoko presné meranie s centimetrovou presnosťou .

Problémy vyplývajú zo sledovania fázy nosného signálu, keď dochádza k rušeniu

signálu alebo keď sa prijímač pohybuje.

� Dva prijímače a jeden satelit môžu vytvoriť jeden rozdiel vo fáze.

� Dva prijímače a dva satelity počas prenosu poskytnú dvojitý rozdiel vo fáze.

Spracované statické meranie fázy nosného signálu poskytuje určenie polohy

s presnosťou 1 až 5 cm vo vzdialenosti 30 km od referenčného prijímača s časom

merania 15 minút pre krátku základňovú čiaru (10km) a 1 hodinu pre dlhú základňovú

čiaru (30km).Rýchle statické meranie fázy nosného signálu poskytuje určenie polohy

s presnosťou 4 až 10 cm so základňovou čiarou 1km a nahrávacím časom 15 minút.

RTK (Real Time Kinematic) meracie techniky v reálnom čase poskytujú

merania s presnosťou 1cm a so základňovou čiarou 10km sledujúcou 5 a viac satelitov

a rádiové spojenie v reálnom čase medzi referenčným a vzdialeným prijímačom [3].

Obrázok 3.4 Určovanie polohy pomocou Merania fázy nosného signálu GPS


3.3 EGNOS

Európska geostacionárna polohová služba EGNOS (European Geostationary

Navigation Overlay Service) je prvý Európsky projekt satelitnej navigácie a je

predchodca kompletného navigačného systému GALILEO. Rozširuje dva v súčasnosti

používané systémy GPS a Globálny orbitálny polohový satelitný systém GLONASS

(Global Orbiting Navigation Satellite System), ktorý prevádzkuje Rusko. Prispôsobuje

ich pre pužitie v situáciách, kritických z hľadiska bezpečnosti a presnosti navigácie ako

navigácia lodí cez úzke kanály alebo v lietadlách.

EGNOS dovoľuje používateľovi v Európe určiť svoju polohu s presnosťou na 2

metre oproti 20 metrom pri GPS navigácii. Informuje používateľov o chybách pri

meraniach polohy a varuje o narušení satelitného signálu počas menej ako 6 sekúnd.

EGNOS poskytuje dáta potrebné pre použitie navigačných signálov z GPS

a GLONASS satelitov v prípadoch kedy by mohla byť ohrozená bezpečnosť ľudí.

Pozostáva z troch geostacionárnych satelitov a zložitej siete pozemných staníc.

Tri satelity vysielajú signály podobné tým vysielaným GPS a GLONASS satelitmi.

Tieto signály majú okrem využitia na lokalizáciu polohy používateľa poskytovať

informácie o presnosti merania polohy doručeného GPS a GLONASSom, takže napr.

pilot môže odhadnúť či je poloha natoľko presná, aby sa na ňu mohol spoľahnúť.

Signály obsahujú presnú polohu každého GPS a GLONASS satelitu, presnosť

atómových hodín nachádzajúcich sa v satelite a rušenie v ionosfére, ktoré môže

ovplyvniť presnosť meraní polohy. EGNOS prijímač, ktorý je prepracovanejší ako

klasický satelitný navigačný prijímač, dekóduje signál pre získanie presnejšej polohy

ako je možné získať pri samotných GPS alebo GLONASS, a presný odhad chýb.

EGNOS signál je prenášaný tromi geostacionárnymi satelitmi: satelitmi

Medzinárodnej mobilnej satelitnej organizácie IMSO (International Mobile Satellite

Organization). Jeden prelieta ponad východnú časť Atlantického oceánu, ďalší ponad

Indický oceán a satelit Európskej Vesmírnej Agentúry ESA (European Space Agency)

Artemis ponad Afriku.

Pozemnú sieť tvorí 34 Staníc sledujúcich integritu a rozsah RIMS (Ranging and

Integrity Monitoring Stations), štyri hlavné riadiace strediská a šesť vysielacích staníc.

RIMS merajú polohu každého EGNOS satelitu a porovnávajú presné merania

polohy každého GPS a GLONASS satelitu s meraniami obdržanými signálmi zo


satelitu. RIMS potom posielajú tieto dáta do hlavného riadiaceho strediska cez

komunikačnú sieť vybudovanú na tento účel.

Hlavné riadiace strediská udávajú presnosť GPS a GLONASS signálov

prijatých v každej stanici a udávajú aj nepresnosť závislú na rušení v ionosfére. Všetky

poškodené dáta sú potom začlenené do signálu a odoslané cez bezpečnú komunikačnú

linku do vysielacích staníc, ktoré sú rozmiestnené po Európe. Vysielacie stanice

vysielajú signál do troch EGNOSS satelitov, ktoré ho prenášajú na príjem GPS

a GLONASS používateľom s EGNOS prijímačom.

EGNOS systém je značne nad dimenzovaný, takže služba je garantovaná takmer

nepretržite. Vždy iba jedna riadiaca stanica zastáva činnosť hlavnej riadiacej stanice.

Ostatné sú v „spiacom“ režime aby mohli nahradiť prvú keby z nejakého dôvodu

zlyhala. Taktiež sú využívané len tri vysielacie stanice, každá pre jeden satelit, ale

ďalšie tri sú záložné pre prípad zlyhania pôvodných staníc [5].

Asistovaný globálny polohový systém - AGPS 15

4 ASISTOVANÝ GLOBÁLNY POLOHOVÝ SYSTÉM - AGPS

Medzi hlavné problémy určovania polohy pomocou GPS patrí TTFF. Je to čas

potrebný pre prvé určenie polohy, ktorý závisí od citlivosti prijímača, počtu viditeľných

satelitov, úrovne signálu jednotlivých satelitov a na konštelácii satelitov na oblohe. Pri

nepriaznivých podmienkach môže prepočítanie pozície trvať aj niekoľko minút čo nie

je akceptovateľné pre LBS [8].

Obmedzenia GPS

Klasický GPS prijímač musí mať prístup k „otvorenej oblohe“ – Neprerušený

kontakt so satelitom LoS (Line of Sight). Toto sťažuje situáciu napr. pri navigácii v

budovách, tuneloch alebo pri krádeži auta a pod. (v podzemných garážach, metre

a všade kde je zastretá obloha).

AGPS

AGPS kombinuje schopnosti určovania polohy klasického GPS s technológiou

mobilných sietí pre poskytnutie AGPS používateľom možnosť určiť svoju polohu

a reagovať na ňu v reálnom čase.

S AGPS technológiou získava mobilná stanica MS informácie zo satelitu cez

mobilnú sieť využívajúc rádiové spojenie medzi základňovými stanicami a MS na

vysielanie asistenčných dát rádovo za sekundy, šetriac pritom čas a batériu. TTFF je

teda do značnej miery eliminovaný v AGPS aplikáciách.

4.1 Koncept AGPS

Technológia konceptu AGPS je zobrazená na obrázku 4.1. MS má integrovaný

GPS prijímač, ktorý prijíma signály zo satelitov. AGPS server obsahuje referenčný

GPS prijímač, ktorý má priamy výhľad na oblohu a sleduje tie isté satelity ako mobilná

stanica. Každý AGPS server má kontrolu nad viacerými základňovými stanicami a má

presné informácie o GPS signáloch dostupných pre mobilnú stanicu v bunkách, ktoré

kontroluje. AGPS server je pripojený na rádiotelefónnu ústredňu[1].


Obrázok 4.1 Koncept AGPS

4.2 Celosvetová referenčná sieť WWRN

Výkon AGPS zariadenia pri určovaní polohy závisí od dát z určitého počtu

satelitov zahrnutých v asistenčných dátach, ktoré pre MS poskytuje Celosvetová

referenčná sieť WWRN (Worldwide Reference Network). Obe riešenia AGPS systému

ako aj Bezpečná User Plane Lokalizácia SUPL (Secure User Plane Location) popísané

v kapitole 4.5 a 5 sú s WWRN kompatibilné.

WWRN je globálna sieť referenčných staníc, ktoré nepretržite sledujú všetky

GPS satelity a odosielajú takto získané dáta do redundantných dátových centier. Dáta

pre úplnú GPS konšteláciu sú vysielané zo strany dátových centier do všetkých SUPL

lokalizačných platforiem SLP (SUPL Location Platform), dovoľujúc každej jednej SLP

poskytovanie asistenčných dát alebo určenie polohy mobilného GPS zariadenia

kdekoľvek na svete. Konektivita s WWRN je zabezpečená buď cez virtuálne privátne

siete, kanálom zabezpečeným Protokolom SSH (Secure Shell) cez verejný internet

alebo privátne frame relay siete pre väčšie komerčné systémy. WWRN je kľúčový

zdroj pre mobilné služby na určenie polohy využívajúce AGPS, nie iba preto, že

oslobodzuje operátorov mobilných sietí od nutnosti monitorovať a spravovať GPS

referenčnú sieť, ale taktiež ponúka výhody pre AGPS výkonnosť, ktoré by regionálna

referenčná sieť nemohla splniť.


Obrázok 4.2 Celosvetová WWRN

AGPS server obsahuje tzv. celosvetový model terénnych nerovností, ktorý

umožňuje určenie polohy s menším množstvom satelitných meraní, taktiež zvyšuje

presnosť najmä v hornatom teréne. Model obsahuje viac ako miliardu súradníc

vzťahujúcich sa k Svetovému geodetickému systému WGS84 s presnosťou na 18

výškových metrov. Vďaka optimálizácii platformy AGPS serveru sú doplnkové

asistenčné dáta modelu prenesené rádovo za milisekundy.

S patentovanými algoritmami pre spracovanie meraní pseudovzdialeností

dokáže AGPS server určiť polohu aj bez presných GPS časových vzoriek. Táto

vlastnosť umožňuje jeho prevádzku aj v sieťach ako Globálny systém pre mobilnú

komunikáciu GSM (Global System for Mobile Communication) alebo Univerzálny

mobilný telekomunikačný systém UMTS (Universal Mobile Telecommunication

System), ktoré niesú synchronizované GPS časom. Taktiež eliminuje potrebu

Lokalizačných jednotiek (Location Management Unit), ktoré dodávajú GPS

synchronizáciu do základňových staníc[9].


4.3 Asistenčné dáta

Asistenčné dáta môžu, v závislosti na možnostiach asistenčného servera a AGPS

prijímača, obsahovať rôzne elementy ako:

Efemeridy

GPS prijímač potrebuje na určenie svojej 3D polohy poznať polohu najmenej

štyroch satelitov a taktiež Čas príchodu ToA (Time of Arrival) dekódovaného signálu

vysielaného z každého zo štyroch satelitov. Obvykle, informácie o polohách satelitov

sú získavame priamo z GPS satelitov. Avšak nahrávanie efemeríd z GPS signálov je

časovo náročné (nahrávacia rýchlosť je iba 50bps). V prostredí so slabým príjmom

signálu (mestské "kaňony"), tieto dáta môžu byť úplne nedostupné. Preto využitím

AGPS môžu byť dáta prijaté vzdialeným (referenčným) prijímačom, ktorý má priamy

výhľad (LoS) na tie isté satelity ako GPS prijímač a môžu byť dodané do AGPS

prijímača cez bezdrôtovú sieť. Efemeridy sú platné len pre dobu viditeľnosti každého

satelitu. Táto doba (čas) sú približne 4 hodiny za predpokladu, že prijímač je nehybný a

satelit práve stúpajúci nad horizont. Efemeridy môžu byť nahraté pre dlhšiu časovú

periódu.

Almanach

Almanach obsahuje približné polohy satelitov (zjednodušené efemeridy).

Almanachy niesú dosť presné pre navigáciu, ale užitočné pre urýchlenie vyhľadania

satelitu na získanie fixu polohy. Almanachy sú používané v odhadovaní Dopplerovho

posunu každého satelitu. Doba platnosti almanachu je omnoho dlhšia ako doba

platnosti presných efemeríd, zvyčajne týždne.

Stavové dáta satelitu (Satellite health data)

V súvislosti s určením polohy satelitu (efemeridy, almanach), asistenčné dáta

môžu obsahovať stavové dáta satelitu zahrňujúce správy o plánovaných údržbách

satelitu, výpadkoch a zlyhaniach satelitu.

Chyby satelitných hodín (Satellite clock errors)

GPS satelity majú veľmi presné atómové hodiny. Napriek veľkej presnosti,

posun týchto hodín zapríčiňuje zhoršenie presnosti určenia polohy. V súvislosti so


zdrojom tejto nepresnosti, informácie o satelitných časových chybách, meraných

referenčnými pozemnými stanicami môžu byť zahrnuté v asistenčných dátach.

Ionosférické a troposférické korekcie (Ionospheric & tropospheric corrections)

Ionosférické a troposférické korekcie môžu byť vysielané cez špecifické

komunikačné linky ako rádiové kanály veľmi krátkych vĺn alebo priamo zo satelitov

(EGNOS). Takže, rovnaké informácie môžu byť obsiahnuté v asistenčných dátach

prenášaných cez bunkovú sieť.

Čas a jeho nepresnosť (Time and its uncertainty)

Asistenčné dáta môžu obsahovať čas a jeho nepresnosť. Približný časový odhad

(väčší ako niekoľko mikrosekúnd) môže byť použitý na zmenšenie oblasti na určenie

polohy pre relatívne fázy kódu satelitného signálu po tom ako sú získané počiatočné

signály. Ak je čas dostatočne presný (niekoľko mikrosekúnd), môže sa taktiež využívať

na zmenšenie oblasti hľadania polohy pre úplné fázy kódov pred získaním

počiatočného signálu.

Počiatočná poloha prijímača a jej nepresnosť (Initial receiver location and its

uncertainty)

Počiatočná poloha prijímača je 3D poloha s elipsoidom nepresnosti. Môže byť

odhadnutá na základe Identifikácie bunky Cell-ID (Cell Identification), ktorá je jednou

zo štandardizovaných metód na určenie polohy v 2G a 3G sieťach. Počiatočná poloha

prijímača je využívaná na odhad satelitnej Dopplerovej frekvencie pri získavaní GPS

signálu. Odhad polohy nemusí byť úplne presný: priemerná chyba 4 Hz v satelitnej

Dopplerovej frekvencii je zavedená pre každú 10km-ovú kompenzáciu polohy. Je

odporúčané aby odhad polohy bol v rámci 1000 km od správnej polohy prijímača. Ak

toto nieje dodržané, získanie signálu bude omnoho náročnejšie ako s použitím odhadu

počiatočnej polohy.

Doplnkové čas špecifikujúce informácie (Additional time specific information)

Alternatívne k polohe, času a satelitným informáciám, asistenčné dáta môžu

obsahovať približnú fázu kódu a Dopplerové posuny so zodpovedajúcimi

nepresnosťami v určitom časovom okamihu pre každý zo satelitov v dohľade [10].


4.4 Módy určenia polohy MS

AGPS systém môže pracovať v dvoch módoch: určenie polohy v MS kde je

poloha určená v MS odoslaná do bunkovej siete. Pri určení polohy sieťou získava MS

GPS signál GPS koreláciou lokálne generovaného pseudonáhodného kódu s prijatým

GPS signálom a určuje časovo vzorkované pseudovzdialenosti. Tieto sú vysielané do

bunkovej siete, ktorá vykonáva výpočet polohy MS.

Informačné elementy prenášané medzi AGPS serverom do MS a naopak sa v

každom móde odlišujú.

4.4.1 Určenie polohy sieťou

Pre porovnanie oboch módov určenia polohy MS sú podstatné správy prenášané

medzi MS a AGPS serverom ako aj ich množstvo a veľkosť.

Správy z MS do AGPS servera

� požiadavka polohy,

� odhadovaná poloha MS,

� časovo vzorkované pseudovzdialenosti.

Správy z AGPS servera do MS

� zoznam viditeľných satelitov,

� GPS referenčný čas,

� efemeridy a približné polohy MS, Dopplerova a kódová fáza signálu satelitov v

priamom dohľade.

Riešenie určenia polohy sieťou vyžaduje krátky čas prijatia dát zo satelitu a

používa sieťové prostriedky na určenie polohy. Toto urýchli proces určenia polohy bez

zaťaženia siete a taktiež nevyžaduje dodatočnú výpočtovú energiu v MS. Nevýhodou

riešenia je krátka doba platnosti asistenčných dát.

4.4.2 Určenie polohy v MS

Správy z MS do AGPS servera

� požiadavka na určenie polohy,

� odhadovaná poloha MS,

� poloha určená v MS.


Správy z AGPS servera do MS

� zoznam viditeľných satelitov,

� fáza Dopplerovho posunu a šifrovaného kódu satelitov v priamom dohľade,

� efemeridy, platné pre 2 až 4 hodiny s predĺžením platnosti na celú dobu

viditeľnosti satelita (12 hodín),

� korekcie DGPS,

� GPS referenčný čas,

� integrita dát v reálnom čase.

Pri určení polohy v MS je potrebné dostatočne dimenzovať jeho pamäťové

kapacity - Operačnej pamäti RAM (Random Access Memory) a Permanentnej pamäti

ROM (Read Only Memory) z dôvodu zvýšených požiadaviek na výpočtový výkon.

Ďalšou nevýhodou je relatívne dlhý čas prijatia asistenčných dát zo satelitu, ktorý

spomaľuje výpočet polohy a zaťažuje sieť.

Jedna z výhod riešenia je, že MS môže byť použitá ako výlučne GPS prijímač.

Toto môže byť užitočné pri využití GPS aplikácií v MS. Ďalšie výhody sú relatívne

krátky čas prijatia dát zo satelitu a platnosť väčšiny asistenčných dát 2 až 4 hodiny.

Je dôležité povedať, že informácie prenášané medzi MS a AGPS serverom

môžu a nemusia obsahovať správy, ktoré boli spomenuté vyššie[1].

4.5 „Control Plane“ a „User Plane“ riešenia

Existujú dve riešenia vytvorenia AGPS siete určenej na poskytovanie

asistenčných dát:

� „Control Plane“

� „User Plane“.


4.5.1 „Control Plane“ riešenie

Obrázok 4.3 Architektúra „Control Plane“

Keď je AGPS realizované pomocou „Control Plane“ riešenia, jednotka merania

polohy extrahuje informácie o polohe so signalizačnými meraniami z MS, z

niekoľkými základňovými vys./prijímacích stanicami a z Obsluhujúceho mobilného

lokalizačného centra SMLC (Serving Mobile Location Centre). Mobilné lokalizačné

centrum/Brána mobilného lokalizačného centra MPC/GMLC (Mobile Positioning

Centre /Gateway Mobile Location Centre) zbiera tieto polohové dáta a dáta z AGPS

serveru niekoľkými referenčnými GPS prijímačmi a vysiela ich ako asistenčné dáta do

MS, umožňujúc mu presne určiť polohu. LBS môže požiadať o tieto dáta na určenie

polohy cez GMLC bránu. S „Control Plane“ riešením je možné určovať polohu MS v

oboch módoch (v sieti aj v MS). Inštalácia AGPS založeného na „Control Plane“ je

zložitá a finančne nákladná, pretože je k nej potrebné dodatočné technické vybavenie

na ovládanie zložitých protokolov.

Štandardizované „Control Plane“ riešenie je definované pre 2G aj 3G bunkové

siete. Základná architektúra pozostáva z SMLC, MPC/GMLC, a aplikácií na určenie

polohy. MPC/GMLC pracuje ako brána pre lokalizačné služby, ktorá sa nachádza

mimo bunkovej siete. SMLC udržiava prenosové kanály na prenos polohových


informácií pre každý z terminálov a prenáša informácie z MPC/GMLC do terminálu a

naopak. Administratívne funkcie ako autentifikácia, spoplatnenie atď. sú taktiež

spravované v MPC/GMLC. Špecifikácie pre Protokol prenosu LCS dát (lokalizačných

dát) RRLP (Radio Resource LCS Protocol) v 2G je v špecifikácii 3GPP TS 44.031 a

špecifikácia pre „Control Plane“ signalizačný protokol tretej vrstvy RRC (Radio

Resource Control) v 3G je v špecifikácii 3GPP TS 25.331[10].

4.5.2 „User Plane“ riešenie

Obrázok 4.4 Architektúra „User Plane“

Tento spôsob prístupu k asistenčným dátam je omnoho menej finančne náročný

ako prístup „Control Plane“, pretože mobilná sieť nevyžaduje dodatočné technické

prostriedky. Taktiež je vhodný pre všetky mobilné štandardy.

Bezpečná User Plane lokalizácia SUPL 24

5 BEZPEČNÁ USER PLANE LOKALIZÁCIA SUPL

Štandardizované „User Plane“ riešenie je definované Štandardizačnou

organizáciou OMA (Open Mobile Alliance) ako OMA SUPL v1.0 špecifikácia.

Základnou myšlienkou je vytvoriť bezpečné spojenie Protokolom riadenia prenosu/

Internet protokolom TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protokol) medzi

Terminálom s podporou SUPL, ktorý sa nazýva SET (SUPL Enabled Terminal) priamo

so SLP. SET a SLP si vymieňajú správy prostredníctvom User Plane lokalizačného

protokolu ULP (UserPlane Location Protocol), ktorý je dekódovaný v ASN.1 formáte.

Táto komunikácia je znázornené na Obrázku 6.1. Transportná vrstva pre ULP je

TCP/IP, s výnimkou SUPL inicializačnej správy SIF (SUPL Initiation Function ). SIF

je vyslaná zo SUPL lokalizačného centra SLC (SUPL Location Centre) do SET-u pri

požiadavke vytvorenia spojenia zo SET-u do SLC. Pokiaľ neexistuje žiadne TCP/IP

spojenie v tejto fáze, SUPL architektúra poskytuje dve alternatívy pre prenos SIF

správy:

� SIF správa je prenášaná v Push správe pomocou Bezdrôtového aplikačného

protokolu WAP Push (Wireless Aplication Protocol),

� SIF správa je prenášaná pomocou Služby krátkych správ SMS (Short Message

Service).

Číslo portu pre ULP rezervované v Internetovej štandardizačnej organizácii

IANA (Internet Assigned Numbers Authority) je 59910. Pod kontrolou SLC môže byť

niekoľko SUPL polohových centier SPC (SUPL Positioning Center) rozdeľujúcich

spravovanie činností viacerých SET-ov medzi seba. SLC môže taktiež slúžiť externým

poskytovateľom služieb alebo iným SET-om, ktoré sa správajú buď ako SUPL agenti

alebo ako klienti Mobilných lokalizačných služieb MLS (Mobile Location Services).

Komunikácia medzi SLC a MLS (SET-om, SUPL agentom) je ukončena pomocou

Protokolu mobilného určenia polohy MLP (Mobile Location Protocol)[11].


Obrázok 5.1 SUPL Architektúra

5.1 SUPL Služby

SUPL Lokalizačné služby môžeme kategorizovať na sieťou iniciované a SET-

om iniciované služby.

Nasledujúce služby musia byť podporované AGPS systémom

� služba na okamžité určenie polohy,

� komerčné služby,

� núdzové služby,

� pravidelné lokalizačné služby,

� služba určenia polohy na požiadanie.

Pravidelné a odložené služby niesú zahrnuté v SUPL Release1, ale v

pripravovanom SUPL Release2.


SUPL služby iniciované sieťou - sú služby, ktoré vychádzajú z vnútra SUPL

siete. Pre tieto služby je SUPL Agent obsiahnutý v sieti.

SUPL služby iniciované SET-om - sú služby, ktoré sú iniciované SET-om.

Pre tieto služby je SUPL Agent obsiahnutý vnútri SET-u.

5.1.1 Skupina lokalizačných služieb SUPL

Táto časťopisuje logické funkčné entity v SUPL funkčnej skupine lokalizačných

služieb.

Funkcia SUPL Súkromia SPF (SUPL Privacy Function)

Funkcia SPF je funkcia na overenie privátnosti používateľského SET-u .

Počas tejto funkcie musia byť splnené nasledujúce požiadavky:

� dodržať nastavenia súkromia používateľského SET-u závisiace od služieb

(iniciovaných sieťou alebo SET-om),

� dodržať notifikačné a verifikačné nastavenia cieľového SET-u.

SUPL môže používať už existujúce uzly súkromia ako napr. Register profilu

súkromia PPR (Privacy Profile Register) alebo Distribuované riadenie polohy LDC

(Location Distribution Control) na implementáciu funkcií súkromia. SPF môže byť

alternatívne súčasťou SET-u.

Funkcia SUPL inicializácie SIF (SUPL Initiation Function)

Funkcia SIF poskytuje mechanizmus pre SUPL sieť na iniciovanie spojenia so

SET-om. Má špeciálny význam v povolení SUPL sieťou iniciovaných služieb. V

prípade SUPL Sieťou iniciovaných služieb vytvára SUPL sieť tzv. SUPL reláciu

použitím jednej z nasledujúcich metód:

� WAP Protokol prenosu Push správy PAP (Push Access Protocol),

� SMS priamo v prostredí mobilného operátora.

Záleží na schopnostiach SET-u, ktorá SIF bude aplikovaná SUPL Sieťou. SET

musí podporovať aspoň jednu z týchto SUPL inicializačných metód.


Funkcia SUPL zabezpečenia SSF (SUPL Security Function)

Funkcia SSF umožňuje SUPL sieti vykonávať autorizáciu a autentifikáciu SET-

u a taktiež umožňuje SET-u vykonávať autorizáciu a autentifikáciu SUPL siete. Táto

skutočnosť je dôležitá pri zabezpečení Sieťou iniciovaných a SET-om iniciovaných

SUPL služieb. SSF taktiež zabezpečuje dôvernosť a dátovú integritu služieb.

Funkcia SUPL podpory roamingu SRSF (SUPL Roaming Support Function)

K SUPL roamingu dochádza keď SET opustí oblasť poskytovania služby danej

Domácej SUPL lokalizačnej platformy H-SLP (Home-SUPL Location Platform). V

tejto oblasti poskytuje H-SLP pre SET dáta o odhadovanej polohe alebo asistenčné dáta

bez nadviazania spojenia k inému SLP.

Existuje viacero spôsobov SUPL Roamingu:

� H-SLP môže požadovať poskytovanie odhadu počiatočnej polohy od

Hosťujúcej SUPL lokalizačnej platformy V-SLP (Visited-SUPL Location

Platform) založeného na Identifikácii polohy Location ID (Location

Identification),

� H-SLP môže požadovať poskytovanie Lup určenie polohy a funkcionalitu SPC

od V-SLP.

Funcia SUPL spoplatnenia SCF (SUPL Charging Function )

Funkcia SCF je zodpovedná za spoplatnenie aktivít v rámci SLP. Tieto zahrňujú

spoplatnenie MLS Aplikácií, SUPL Agentov a užívateľov SET-u.

Hlavnou úlohou SCF je zbieranie dát pre spoplatnenie a účtovanie medzi SUPL

operátormi. Navyše SCF môže povoliť aktivity v SLP založené na posúdení dát pre

spoplatnenie.

Funkcia SUPL riadenia polohy SSMF (SUPL Service Management Function)

SSMF je funkcia spravovania polôh SET-u. Táto funkcia uchováva, spracováva

a modifikuje informácie o polohe cieľového SET-u. Počas vykonávania tejto funkcie

musia byť zohľadnené aj funkcie spoplatnenia, súkromia, zabezpečenia a Kvality

určenia polohy QoP (Quality of Position).


Funkcia SUPL pridelenia adresy SET-u SSPF (SUPL SET Provisioning

Function)

SSPF zabezpečuje, aby bol SET vybavený adresou H-SLP.

5.1.2 Skupina lokalizačných funkcií SUPL

Táto časť opisuje logické funkčné entity v SUPL funkčnej skupine

lokalizačných služieb.

Funkcia SUPL doručenia asistenčných dát SADF (SUPL Assistance Delivery

Function)

SADF vytvára a doručuje dostupné asistenčné dáta, využívané pre meranie

alebo určenie polohy SET-u.

Doručenie asistenčných dát môže byť založené na vybranej podskupine GPS

referenčných dát získaných z SRRF funkcie, na schopnostiach SET-u a siete, a

približnej odhadnutej polohy cieľového SET-u.

Asistenčné dáta môžu obsahovať elementy definované v [3GPP RRLP], [3GPP

RRC]alebo [3GPP2 C.S0022-A, 3GPP2 C.S0022-0].

Funkcia SUPL získavania referenčných dát SRRF (SUPL Reference Retrieval

Function)

SRRF slúži na získanie GPS referenčných dát z GPS referenčnej siete.

Referenčné dáta sú potrebné na vytvorenie asistenčných dát.

Funkcia SUPL výpočtu polohy SPCF (SUPL Position Calculation Function)

SPCF vykonáva výpočet polohy SET-u. Minimálne jedna z nasledujúcich

lokalizačných metód môže byť podorovaná SUPL službou.

� A-GPS s asistenciou SETu – merania sú realizované v terminály narozdiel od

výpočtov,

� A-GPS založené na SET – merania a výpočet je realizovaný v terminály,

� Autonómne GPS,

� lokalizačné metódy z bunkových sietí:

� Cell-ID

� Pokročilá trilaterácia založená na meraní fázového rozdielu signálov A-

FLT (Advanced Forward Link Trilateration)


� Rozšírené pozorovanie časového rozdielu E-OTD (Enhanced-Observed

Time Difference)

� Pozorovaný rozdiel časov príchodu OTDOA (Observed Time Difference

of Arrival)

� Identifikácia polohy Location ID (Location Identification)

5.2 SUPL Systém a Subsystém

5.2.1 SUPL lokalizačná platforma SLP

SLP pozostáva z SLC a SPC, ktoré môžu byť integrované v jedinom systéme.

Medzi SLP a SET-om je použité rozhranie Lup ako je ukázané na Obrázku 6.1. Toto

rozhranie prenáša správy pre SUPL Spravovanie Služby a SUPL Určenie Polohy.

Taktiež je možné funkčné oddelenie SLC a SPC do samostatných systémov v rámci

SLP.

Pre komunikáciu medzi SET-om a SLP sú navrhnuté dva módy:

� Proxy Mód: SPC systém nebude mať priame spojenie so SET-om. V takomto

prostredí sa bude SLC systém správať ako proxy medzi SET-om a SPC.

� Non Proxy Mód: SPC systém bude mať priame spojenie so SET-om.

Rozhranie Lup je použité medzi SLP a SET-om. Lup prenáša dva typy správ:

� správy určené pre SLC systém v rámci SLP: Správy Lup Spravovania Služby,

� správy určené pre SPC systém v rámci SLP: Správy Lup Určenia Polohy.

5.2.2 SUPL lokalizačné centrum SLC

SLC systém zabezpečuje koordináciu prevádzky SUPL v sieti a vykonáva

nasledujúce funkcie pri vzájomnej komunikácii so SET-om cez „User Plane“:

� Funkcia SUPL súkromia SPF,

� Funkcia SUPL zabezpečenia SSF,

� Funkcia SUPL podpory roamingu SRSF,

� Funkcia SUPL spoplatnenia SCF,

� Funkcia SUPL riadenia polohy SSMF,

� Funkcia SUPL výpočtu polohy SPCF.


5.2.3 SUPL polohové centrum SPC

SPC podporuje masledujúce funkcie:


� Funkcia SUPL doručenia asistenčných dát SADF,

� Funkcia SUPL získavania referenčných dát SRRF,

� Funkcia SUPL výpočtu polohy SPCF.

5.2.4 Terminál s podporou SUPL SET

SET podporuje procedúry definované v SUPL využívané pri vzájomnej

komunikácii so sieťou cez „User Plane“. Taktiež môže podporovať jednu alebo viac

funkcií v závislosti na schopnostiach SET-u a na obchodných pravidlách poskytovateľa

služby:

� Funkcia SUPL súkromia SPF,


� Funkcia SUPL pridelenia adresy SET-u SSPF.

SET podporuje určenie polohy v MS a/alebo určenie polohy sieťou. Preto môže

podporovať funkcie:

� Funkcia SUPL výpočtu polohy SPCF,

� Funkcia SUPL doručenia asistenčných dát SADF.

V týchto prípadoch dochádza k prekrývaniu funkcionalít SLC/SPC a SET-u.

5.2.5 Komunikačné mechanizmy a rozhrania zahrnuté v Lup-e

Protokoly zahrnuté vo WAP Push sú PAP pre prenos notifikácie požiadavky na

polohu z SLP do Brány preklenutia PAP a POTAP (Push Proxy Gateway) a Protokol

bezdrôtového prenosu Push správy POTAP (Push Over-The-Air Protocol) na prenos

notifikácie z PPG do SET-u. Ďalšou možnosťou je SMS doručenie notifikácie, ktoré

môže byť iniciované z SLP alebo WAP notifikáciou. Protokolové rozhrania pre SMS

doručenie nie sú v schéme špecifikované, pretože rozhranie medzi SLP a Centrom

služby krátkych správ SMSC (Short Message Service Center) je patentované a nieje

definované v 3GPP/3GPP2. Komunikačná cesta z SMSC do SET-u nieje predmetom

tejto práce.


� v Proxy móde sa medzi SLP a SET-om vytvára SUPL aplikácia výmeny správ

pre službu spravovania a určenia polohy,

� v Non Proxy móde sa medzi SLC a SET-om vytvára služba na výmenu správ

pre spravovanie a výmena správ služby pre určenie polohy prebieha medzi SPC

a SET-om[11].

5.3 Varianty spojení pri získavaní asistenčných dát:

� spojenie iniciované SET-om

� spojenie iniciované Sieťou

Varianty nadviazania spojenia:

� úspešné spojenie – Proxy mód bez Roamingu,

� úspešné spojenie – bez Proxy módu bez Roamingu,

� úspešné spojenie – Proxy mód s V-SLP a s Roamingom,

� úspešné spojenie – bez Proxy módu s Hosťujúcim SUPL polohovým centrom

V-SPC (Visited - SUPL Positioning Center) a s Roamingom,

� úspešné spojenie – Proxy mód s H-SLP a s Roamingom,

� úspešné spojenie – bez Proxy módu s Domácim SUPL polohovým centrom H-

SPC (Home - SUPL Positioning Center) a s Roamingom.

Možné chybné varianty nadviazania spojenia:

� SET nepovoľuje určenie polohy,

� neúspešná autorizácia v H-SLP,

� chybný SUPL Protokol,

� uplynutie času SUPL časovača[11].


5.3.1 Príklad úspešného spojenia – Proxy mód bez Roamingu

Obrázok 5.2 SUPL Úspešné spojenie

� A: SUPL Agent posiela MLP SLIR správu do H-SLP, s ktorým je SUPL Agent

spojený. H-SLP vykoná autentifikáciu SUPL Agenta a overí či SUPL Agent je

autorizovaný pre zvolenú službu, pomocou prijatej Identifikácii klienta Client-id

(Client-identification). Oproti Client-id dokáže H-SLP pomocou prijatej

Identifikácii MS MS-id (MS-identification) zabezpečiť kontrolu súkromia

používateľa. Ak je dostupná v H-SLP predchádzajúca určená poloha, ktorá

spĺňa požadovanú QoP a žiadna verifikácia a notifikácia niesú potrebné, H-SLP

priamo pokračuje k bodu H. Ak sú vyžadované notifikácia a verifikácia alebo

len notifikácia, H-SLP pokračuje k bodu B.

� B: H-SLP overí či cieľový SET v danom okamihu podporuje SUPL roaming. H-

SLP môže taktiež overiť či daný SET podporuje SUPL .

� Pozn.: špecifiká pre určenie či daný SET je v súčasnej dobe v SUPL roaming

móde alebo nie je mimo rámec SUPL. Keďže, existujú viaceré mechanizmy

závislé na prostredí.


� Pozn.: špecifiká, pre určenie či daný SET podporuje SUPL sú mimo rozsah

SUPL 1.0 špecifikácie.

� C: H-SLP zaháji komunikáciu so SET-om na určenie polohy použitím SUPL

INIT správy, ktorá môže byť vyslaná cez WAP PUSH alebo SMS. SUPL INIT

správa obsahuje minimálne Identifikátor spojenia session-id (Session

Identification), indikátor proxy/non-proxy módu a zamýšľanú metódu na

určenie polohy. SUPL INIT správa môže taktiež obsahovať požadovanú QoP,

Identifikácia kľúča Key ID (Key Identification) a Autentifikačný kód správy

MAC (Message Authentication Code). Ak výsledok kontroli privátnosti v kroku

A indikuje, že je potrebná notifikácia alebo overenie cieľového používateľa , H-

SPL môže taktiež obsahovať notifikačný element v SUPL INIT správe. Predtým

ako je SUPL INIT správa vyslaná, H-SLP vypočíta a uloží hash správy. Ak sa v

kroku A H-SLP rozhodne použiť predchádzajúcu vypočítanú polohu, SUPL

INIT správa má indikovať " toto nieje hodnota parametra metódy na určenie

polohy " a SET odpovie so SUPL END správou nesúcou výsledok overovacieho

procesu (prístup povolený, prístup zamietnutý). Ak nieje vyžadovaná žiadna

jednoznačná verifikácia (iba notifikácia) SET odpovie so SUPL END správou.

H-SLP potom priamo pokračuje krokom H.

� Pozn: pred vyslaním SUPL END správy, SET vykoná postup vytvorenia

dátového spojenia popísaný v kroku D a použije postupy z kroku E na

vybudovanie bezpečného IP spojenia do H-SLP.

� D: Keď je SUPL INIT správa prijatá SET-om, tak sa buď sám pripojí do

paketovej siete ak ešte nieje pripojený, alebo vybuduje spojenie s prepájaním

okruhov. Ak sa v prijatej SUPL INIT správe nachádzajú parametre Key ID a

MAC, SET ich môže použiť na overenie autentifikácie SUPL INIT správy

pokiaľ ich podporuje.

� E: SET vyhodnotí notifikačné pravidlá a taktiež kontroluje indikátor proxy/non-

proxy módu na určenie či H-SLP používa proxy alebo non-proxy mód. V tomto

prípade je použitý proxy mód a teda SET vybuduje bezpečné IP spojenie do H-

SLP použitím SLP adresy, ktorá bola pridelená SET-u domácou sieťou. SET

následne posiela SUPL POST INIT správu na zahájenie sekvencie určovania


polohy s H-SLP. SET pošle SUPL POST INIT správu aj keď SET-om

podporované technológie na určenie polohy nezahŕňajú žiadanú metódu na

určenie polohy nachádzajúcu sa v SUPL INIT správe. SUPL POS INIT správa

obsahuje minimálne session-id, schopnosti SET-u, a hash prijatej SUPL INIT

správy (ver) a identifikátor polohy (lid). Schopnosti SET-u zahŕňajú metódy na

určenie polohy (SET- Assisted A-GPS, SET-Based A-GPS) a prislúchajúce

protokoly (RRLP, RRC, TIA-801). SET môže podporovať Správy sieťových

meraní NMR (Network Measurement Report) špecifické pre použitú rádiovú

technológiu. SET môže poskytovať svoju polohu ak to je podporované. Taktiež

môže stanoviť požadovaný element asistenčných dát v SUPL POS INIT. Ak

približná poloha určená na základe informácií prijatých v SUPL POS INIT

správe spĺňa požadovanú QoP, H-SLP pokračuje priamo krokom G.

� F: H-SLP kontroluje, že sa hash SUPL INIT správy zhoduje s vypočítaným

hash-om pre túto konkrétnu sekvenciu. Na základe SUPL POS INIT správy

zahrňujúcej metódy na určenie polohy podporované SET-om, následne H-SLP

vyberie konkrétnu metódu na určenie polohy. H-SLP použije podporovaný

protokol na určenie polohy (napr.RRLP, RRC, TIA-801) zo SUPL POS INIT

správy ak je to vyžadované pre danú metódu. SET a H-SLP si môžu vymieňať

viaceré správy procedúr na určenie polohy. H-SLP vypočíta odhad polohy

založený na prijatých meraniach polohy (SET-Assisted) alebo SET vypočíta

odhad polohy založený na asistenčných informáciách získaných z H-SLP (SET-

Based).

� G: Keď je výpočet na určenie polohy kompletný, H-SLP pošle SUPL END

správu do SET-u, ktorá hovorí, že žiadna ďalšia procedúra na určenie polohy

nebude spustená a sekvencia na určenie polohy je ukončená. SET uvoľní

bezpečné IP spojenie do H-SLP ako aj všetky prostriedky vzťahujúce sa k tejto

sekvencii.

� H: H-SLP posiela odhad polohy späť do SUPL Agenta prostredníctvom MLP

SLIA správy a uvoľní všetky prostriedky vzťahujúce sa k tejto sekvencii

AGPS a GPS Zariadenia 35

6 AGPS A GPS ZARIADENIA

V súčasnosti je na trhu veľké množstvo navigačných GPS zariadení, ale len

málo z nich využíva AGPS technológiu. Preto som sa rozhodol opísať bližšie parametre

dvoch zariadení, ktoré v kapitole 7 použijem na merania a jedného externého AGPS

prijímača populárneho medzi spotrebiteľmi.

6.1 Hp hw 6515 - AGPS

Kľúčové vlastnosti z pohľadu použitia AGPS:

� pracuje v pásmach GSM 850/900/1800/1900,

� procesor Intel PXA270 312 MHz,

� pamäte 64 MB Flash ROM, 64 MB SDRAM,

� displej TFT dotykový, 65000 farieb, 240 x 240 pixelov,

� podporuje Všeobecnú rádiovú paketovú službu GPRS (General Packet Radio

Service), EDGE, AGPS,

� pracuje s Microsoft Windows Mobile 2003 SE PocketPC Phone Edition.

Zariadenie podporuje AGPS technológiu. Obsahuje GPS modul značky

Globallocate a spolupracuje s User Plane AGPS riešením pre rýchlejšie určenie polohy.

Asistenčné dáta pre využitie AGPS technológie sťahuje Hp cez GPRS z

referenčnej siete firmy Broadcom alebo cez internetové pripojenie.

6.2 Mio P550 - GPS

Kľúčové vlastnosti z pohľadu použitia GPS:

� procesor: Samsung 2440 400 MHz,

� pamäte: 128 MB flash ROM, 64 MB SDRAM,

� displej: 3.5 " TFT aktívny dotykový, 240 x 320 pixelov, 64000 farieb,

� podporuje GPS, Bluetooth 2.0, Wifi,

� pracuje s Microsoft Windows Mobile 5.0.

AGPS a GPS Zariadenia 36

Hlavný rozdiel oproti HP hw6515 je v použitom GPS module. MIO P550 má

GPS modul SiRFstarIII vďaka ktorému poskytuje dobrý čas TTFF ako aj rýchlosť a

presnosť navigácie[1] [13].

6.3 WondeX BT-100Y

Pokiaľ sa v mobilnom zariadení (PDA, mobil) nenachádza prijímač AGPS,

môžeme na zariadenie pripojiť tzv. externý prijímač. Takéto riešenie podporuje

WondeX BT-100Y.

Kľúčové vlastnosti z pohľadu použitia AGPS:

� 54 kanálový AGPS prijímač,

� AGPS dáta získava zo Skytraq AGPS serveru,

� poskytuje presnosť WAAS systému,

� horúci/teplý/studený štart: 1/28/30 sec,

� minimálna úroveň signálu: -159dBm.

Takéto riešenia sa v súčasnosti nepoužívajú až tak často ako predchádzajúce z

dôvodu horšieho prispôsobenia napr. mobilného telefónu na zobrazovanie navigačných

máp na displeji[14].

V súčasnosti je v Spojených štátoch amerických značne rozšírené používanie

AGPS technológie v bežných mobilných telefónoch z dôvodu podpory tiesňových

volaní E911. Zavedený systém núdzových volaní E911 fázy 2 (Wireless E911 Phase 2)

vyžaduje použitie AGPS technológie v mobilných zariadeniach pre presnejšie a

rýchlejšie určenie polohy ako v predchádzajúcej fáze1.

Veľké množstvo v súčasnosti ponúkaných mobilných telefónov a PDA

zariadení značiek ako Motorola, BlackBerry, HTC atď. má implementovanú

technológiu AGPS.

Merania 37

7 MERANIA

Merania boli realizované pomocou dvoch zámerne zvolených zariadení.

Nakoľko prvé zariadenie podporuje AGPS a druhé nie, z toho dôvodu sa bude dať

jednoducho posúdiť vplyv použitia AGPS na pozorovanú veličinu. Použil som

nasledovné zariadenia:

� Hp hw 6515,

� Mio P550.

Obidve zariadenia sú opísané v predchádzajúcej kapitole.

Merania boli realizované v rozličných prostrediach pričom som kládol dôraz na

ich odlišnú polohu a podmienky príjmu satelitných signálov, čiže LoS. Zvolil som

nasledovné prostredia:

� mestské,

� predmestské,

� vidiecke.

Merania boli vykonané pre dva prípady štartu GPS prijímača tzn. studený a

horúci, pretože boli merané na jednom mieste a v rovnakom čase. Odmeral som teda tri

rôzne TTFF pre každé prostredie a každé zariadenie.

7.1 Mestské prostredie

Meranie prebehlo v blízkosti centra mesta Martin. Miesto merania je znázornené

na obrázku v prílohe 1.

Tabuľka 7.1 TTFF v mestskom prostredí

Zariadenie TTFF [s] TTFF 2 [s] TTFF 3 [s]

Hp AGPS 105 5,706 7,63

Hp GPS 148,92 7,38 4

Mio GPS 85,388 2,34 7,02

Z tabuľky je možné vidieť, že najdlhšiu dobu studeného TTFF zaznamenal

samotný prijímač GPS signálov v Hp pričom najkratšiu dobu studeného TTFF dosiahlo

Mio. Asistenčné dáta v Hp využil AGPS prijímač v tomto zariadení na takmer tretinové

Merania 38

zlepšenie času studeného TTFF. Pri druhom a treťom TTFF, teda pri horúcich štartoch

sa hodnoty odlišovali od ideálnych z dôvodu značného krytia zo strany budov.

7.2 Predmestské prostredie

Meranie prebehlo v prímestskej časti mesta Martin na sídlisku v Priekope.

Miesto merania je znázornené na obrázku v prílohe 1.

Tabuľka 7.2 TTFF v predmestskom prostredí

Zariadenie TTFF [s] TTFF 2 [s] TTFF 3 [s] Hp AGPS 46,68 1,434 2,364

Hp GPS 113,41 0,3 0,33

Mio GPS 40,6 0 0,86

Z tabuľky je možné pozorovať výrazné zlepšenie časov studeného TTFF u

všetkých zariadení z dôvodu zlepšenia podmienok pre príjem satelitných signálov, čiže

výrazne lepší LoS. Samotný GPS prijímač dosiahol podstatne lepšiu hodnotu času

studeného TTFF ako v mestskom prostredí, ktorá je použiteľná na navigáciu. V tomto

meraní sa vo väčšej miere prejavila úloha asistenčných dát keďže Hp AGPS ako aj Mio

dosiahli veľmi podobné hodnoty. Časy nasledujúcich TTFF sú takmer zanedbateľné.

Mio dosiahlo nemerateľný čas horúceho TTFF vďaka vylepšenému GPS chipsetu

SiRFstarIII.

7.3 Vidiecke prostredie

Meranie prebehlo v blízkosti mesta Martin. Miesto merania je znázornené na

obrázku v prílohe 1.

Tabuľka 7.3 TTFF vo vidieckom prostredí

Zariadenie TTFF [s] TTFF 2 [s] TTFF 3 [s] Hp AGPS 51,33 2 0,88

Hp GPS 56,12 16,97 21,66

Mio GPS 40,6 0,26 0,4

Z tabuľky vidíme, že hodnoty nameraných časov studeného TTFF sú podobné

hodnotám pre predmestské prostredie. V prípade Hp GPS prijímaču došlo k zlepšeniu

studeného TTFF na jeho najlepšiu hodnotu z dôvodu nerušeného ideálneho LoS. V

takomto prostredí sa výhoda Hp AGPS ako aj Mia stráca a preto sú časy studených

Merania 39

TTFF podobné. U Hp GPS sa aj napriek výbornej hodnote TTFF nepodarilo dosiahnuť

podobných výsledkov v časoch horúcich TTFF.

Vo všetkých troch meraniach sa v plnej miere prejavil vplyv prostredia, pretože

časy studených TTFF boli v mestskom prostredí najdlhšie zatiaľ čo v ďalších

meraniach sa skrátili takmer o polovicu čo bolo spôsobené dostatočným LoS pre

určenie polohy.

Vplyv technológie AGPS na studený štart sa prejavil v mestskom prostredí

tretinovým a v predmestskom prostredí polovičným skrátením studeného TTFF v

samotnom zariadení Hp. Vo vidieckom prostredí sa AGPS technológia prejavila

krátkymi časmi pri horúcich TTFF.

Avšak vplyv technológie AGPS sa v porovnaní s výbornými hodnotami časov

všetkých TTFF zariadenia Mio stráca z dôvodu rýchlejšieho GPS chipsetu SiRFstarIII.

Záver 40

8 ZÁVER

V súčasnosti dochádza k veľkému rozvoju satelitných služieb hlavne v oblasti

navigácie využitím systému GPS, ktorého prijímače sa v čoraz väčšej miere integrujú

do veľkého množstva zariadení ako napr. mobilné telefóny, PDA a pod.

Keďže GPS prijímač potrebuje pre určenie polohy MS prístup k „otvorenej

oblohe“ tzv. LoS, nedá sa GPS systém plne využívať v zastavaných mestských

oblastiach tzv. „mestských kaňonoch“. Pre prostredia s nedostatočným LoS bol

navrhnutý AGPS systém

Zámerom práce bolo dôkladne rozobrať AGPS systém a overiť jeho schopnosti

praktickými meraniami.

Technológia AGPS je založená na využívaní asistenčných dát spolu s GPS

navigáciou na zlepšenie času studeného TTFF, čo môže mať široké využitie pri

núdzových volaniach, pričom asistenčné dáta sú do MS prenášané bunkovou sieťou. V

našom prípade je to sieť GSM.

Existujú dve riešenia vytvorenia AGPS siete určenej na poskytovanie

asistenčných dát a to „Control Plane“ a „User Plane“. „User Plane“ riešenie nevyžaduje

pri zavádzaní systému takmer žiadne náklady a využíva v súčasnosti najrozšírenejšie

TCP/IP protokoly preto má lepšie predpoklady na budúci rozvoj ako „Control Plane“

riešenie, ktoré je finančne náročné a využíva prepojovanie kanálov. „User Plane“

riešeniu som sa v bakalárskej venoval aj z dôvodu jeho značnej implementácie v

Európe. V súčasnosti je riešenie „User Plane“ rozšírené do štandardizovaného riešenia

SUPL, ktoré je podrobne opísané v práci.

Pre potvrdenie výhod AGPS technológie som sa v bakalárskej práci venoval

meraniam, ktoré preukázali výhody AGPS len z časti. V samotnom AGPS zariadení bol

značný rozdiel v studených štartoch pri použití klasického GPS a AGPS v mestskom

prostredí. Avšak pri porovnaní AGPS zariadenia s rozdielnym GPS zariadením som

zistil nepatrne lepšie hodnoty studeného TTFF v prospech GPS. Táto odlišnosť je

spôsobená použitím citlivejšieho a rýchlejšieho chipsetu v GPS zariadení ako aj vekom

oboch zariadení.

Záver 41

Technológia AGPS má z pohľadu budúcnosti veľký potenciál pri stále sa

rozvíjajúcom trhu satelitných služieb a bude využívaná vďaka rýchlemu studenému

TTFF najmä pri lokalizácii v mestských častiach a pri tiesňových volaniach.

Zoznam použitej literatúry 42

9 ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY

[1] Lissai G.: „Assisted GPS Solution in Cellular Networks“, Rochester Institute of

Technology, November 2006.

[2] Pillár S.: „Multimediálne služby poskytované družicovou sieťou“, Technická

Univerzita v Košiciach, Máj 2001.

[3] Dana P., H.: „Global Positioning System Overview“, Department of Geography,

University of Texas at Austin, 1994.

[4] McDaid C.: „GPS Overview“, Ireland.

http://www.palowireless.com/gps/tutorial.asp

[5] „About EGNOS“, ESA Navigation department, July 2007

http://www.esa.int/esaNA/GGGQI950NDC_egnos_2.html

[6] Parkinson, B.W. (1996) : „Global Positioning System: Theory and

Applications“, chap. 1: Introduction and Heritage of NAVSTAR, the Global

Positioning System. pp. 3-28, American Institute of Aeronautics and

Astronautics, Washington, D.C.

[7] Lux S.: „Assisted-GPS provides faster data acquisition“, Atmel Corp., January

2006.

[8] Bryant R.: „Assisted GPS“, Canberra Australia, May 2005.

[9] Secure User Plane Location, October 2007

http://www.broadcom.com/products/GPS/Location-Based-Services/SUPL-SLP

[10] Kemppi, P.: „Next generation satellite navigation systems“, VTT RESEARCH

NOTES 2408 ESPOO Finland, September 2007. ISBN 978-951-38-6961-8

[11] „Secure User Plane Location Architecture“, OMA-AD-SUPL-V1.0-20060127C,

Candidate Version 1.0, 27 Jan 2006.

[12] http://www.gpspassion.com/fr/articles.asp?id=166

[13] http://www.gpspassion.com/forumsen/topic.asp?TOPIC_ID=55087

[14] http://www.semsons.com/wo44chawaauo.html

43

ČESTNÉ VYHLÁSENIE

Vyhlasujem, že som zadanú bakalársku prácu vypracoval samostatne, pod

odborným vedením vedúceho bakalárskej práce Ing. Peter Brída, PhD. a používal som

literatúru uvedenú v práci.

Súhlasím so zapožičiavaním bakalárskej práce.

V Žiline dňa ........................... podpis študenta

44

POĎAKOVANIE

Rád by som touto cestou poďakoval vedúcemu bakalárskej práce Ing. Petrovi

Brídovi, PhD. za jeho podporu a spoluprácu pri vypracovávaní tejto bakalárskej práce.

Zároveň by som chcel poďakovať mojej rodine za trpezlivosť.

PRÍLOHY

Príloha 1 – Miesta Meraní 46

Príloha 1 – Miesta Meraní

� Mestské prostredie

� Predmestské prostredie

Príloha 1 – Miesta Meraní 47

� Vidiecke prostredie

Príloha 2 – Dáta z GPS prijímača 48

Príloha 2 – Dáta z GPS prijímača Začiatok správy $PGLOR,RID,PPC,BTL,2.3.2273.0.154.4.169*0F $GPGGA,013525.97,,,,,00,00,0.5,,M,0.0001999,M,0.00048,*59 $GPRMC,013525.97,V,,,,,,,170302,,*16 . . . . . . . . . . . . po 71 sekundách $GPRMC,145054.98,A,4903.976443,N,01855.403399,E,000.0,000.0,260508,,*32 $GPGSA,A,3,08,15,26,28,,,,,,,,,05,05,05*1B $GPGGA,145057.60,4903.976443,N,01855.403399,E,1,06,2.0,363.0,M,- 0.495004,M,0.00707,*6D $GPRMC,145057.60,A,4903.976443,N,01855.403399,E,000.0,000.0,260508,,*36 $GPGSV,3,1,11,28,63,144,40,26,55,304,39,08,54,062,39,15,41,300,40*79 $GPGSV,3,2,11,10,41,215,32,27,26,074,,07,16,073,,19,11,037,27*74 $GPGSV,3,3,11,21,05,315,,24,04,276,,18,01,331,*40 $GPGSA,A,3,08,10,15,19,26,28,,,,,,,02,02,02*15

Longitúda Latitúda

V znmená, že dáta ešte niesú platné tzn. Poloha

ešte nieje známa

A znmená, že dáta sú platné tzn. Poloha je

známa

Príloha 3 – Meracie zariadenia 49

Príloha 3 – Meracie zariadenia

Documents

Asistované GPS - diplom.utc.skdiplom.utc.sk/wan/2432.pdf · function, architecture and provided services. K ... MPC/GMLC Mobile Positioning Centre /Gateway Mobile Location Centre