LokalizacjaGlobal Positioning System

Systemy nawigacji satelitarnej

Radionawigacja

• Wykorzystanie fal radiowych do określenia własnego połoŜenia i wyznaczenia dalszej drogi

• Systemy radionawigacyjne korzystają z nadających określone sygnały rozpoznawcze radiolatarni.

Systemy radionawigacyjne

[ z Wikipedii]

Historia

• 1957r. (Baltimore, USA) – podstawy teoretyczne• 1964r. TRANSIT SATNAV (USA), na potrzeby

marynarki; od 1968r. równieŜ licencje dla firm cywilnych; nie obejmował całej powierzchni Ziemi; nośne częstotliwości: 150 MHz i 400 MHz; wykorzystywany efekt Dopplera. ZłoŜony z 6 satelitów; stosowany do końca 1996 roku

• Po modyfikacjach – systemy TIMATION(Marynarka) i 621 B (lotnictwo)

• Koniec lat sześćdziesiątych – w ZSRR -CYKADA

GPS - NAVSTAR

• Nowy projekt w 1973r., kontynuowany do dzisiaj; w latach osiemdziesiątych udostępniony szeroko do zastosowań cywilnych, z Selected Availibility

• Celowo ograniczona dokładność (losowo dodawane wartości wprowadzające błąd, zapewniające rozmycie dokładności) – 10m dla licencjonowanych a 500 m (potem rynek wymusił 100) dla pozostałych odbiorców

• DGPS (Differential GPS) – wykorzystanie dodatkowych stacji naziemnych do korekcji błędu

• W krajach, w których trwa wojna, błąd SelectedAvailability jest zwiększany, w pozostałych – od 2000 r. nie jest dodawany, co daje dokładność lokalizacji 4-12 metrów

GALILEO – Europejski System Nawigacji Satelitarnej

• Początek datuje się na lata osiemdziesiąte (konkurencja dla GPS NAVSTAR); testy rozpoczęły się w 2005r., pełne wdroŜenie planowane jest w 2012r.

• System całkowicie cywilny – Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) prowadzi nadzór technologiczny; Unia Europejska – polityczny; konsorcja Eurely oraz iNavSat – administracja systemem

• Planowana dokładność pozycjonowania – 50 cm

Struktura GALILEO – segment kosmiczny

• 27 satelitów operacyjnych i 3 zapasowe, na średnich orbitach (MEO – Medium Earth Orbit), na wysokości 23616 km nad Ziemią, z czasem okrąŜenia 14 godzin i 21 minut

• 10 sygnałów ogólnie dost ępnych na trzech pasmach ; dodatkowo sygnały szyfrowane i korekcyjne

GLONASS (Globalnaia NavigacionnaiaSputnikovaia Sistiema)

• Utworzony dla celów wojskowych w 1976r.

• W 1993 r. – 12 satelitów, w 1995 – 24 satelity; od 1999 dostępny dla odbiorców cywilnych

• Wprowadza ograniczenie dokładności do 30 m• Satelity krąŜą w odległości 19100 km od Ziemi,

na prawie kołowych orbitach

• Od kilku lat dostępne są odbiorniki do jednoczesnego odbioru GPS i GLONASS(podobna zasada działania) – system GNNS

GLONASS

GPS NAVSTAR

• Navigational Satellite Time & Ranging• Segment kosmiczny: system 24 satelitów

krąŜących na orbitach 20200 km, na 6 płaszczyznach; przynajmniej 5 satelitów jest rezerwowych

Satelita NavStar

Segment kontroli GPS• System pięciu stacji monitorujących (stacje kontroli naziemnej)

(Hawaii, Kwajalein, Wyspa Wniebowstąpienia, Diego Garcia, Colorado Springs) i główne centrum kontroli (MCS - Master Control Station) w Colorado Springs - baza Sił Powietrznych Falcon.

• Stacje odbierają sygnały kontrolne i telemetryczne satelitów i wrazie potrzeby dokonują zdalnej korekty.

•W wyniku porównania danych almanachu z orbitalnym modelem ruchu danego satelity są obliczane precyzyjne dane korekcyjne (efemerydy) dla kaŜdego z satelitów oraz korekty zegara. Z głównego centrum poprzez stacje kontroli zostają wysyłane efemerydy oraz dane zegara do kaŜdego satelity.

• Następnie satelity korygują swoje sygnały. MCS okresowo przesyła satelitom efemerydy i poprawki zegara w celu ich retransmisji w depeszy nawigacyjnej.

Segment uŜytkownika

• Segment uŜytkownika to wszystkie rodzaje i typy odbiorników, korzystających a danych systemu GPS; wojskowe i cywilne

• Sygnał wysyłany przez satelity składa się z dwóch częstotliwości L1 o długości fali nośnej 19 cm i sygnał L2 – 24 cm, modulowany kodem dostępnym dla wojska.

Zasada działania systemu nawigacji satelitarnej

• Mierzy się przebytą drogę sygnału wysłanego przez satelitę, poruszającego się po zdefiniowanej orbicie, do anteny terminalu odbiorczego

• Znana odległość umiejscawia odbiornik na powierzchni kuli o promieniu równym odległości

• Z 2 satelitów – mamy przecięcie się dwóch sfer• Po zmierzeniu 3. odległości – pozostają moŜliwe

2 punkty – odrzuca się np. ten, który jest za wysoko, albo porusza się zbyt szybko

• Przy 4. satelicie określona jest równieŜ wysokość punktu

Zasada lokalizacji

• Mierzy się czas dotarcia sygnału radiowego z satelitów do odbiornika

• Znając prędkość fali i dokładny czas wysłania sygnału – oblicza się odległość od satelitów

• Sygnał GPS zawiera ALMANACH –informację o układzie satelitów na niebie oraz EFEMERYDĘ – teoretyczna droga satelity i odchylenia od niej

Zasada działania

• Sygnał dociera na częstotliwościach nośnych: f1=1575,42 MHz i f2=1227,6 MHz

• Porównanie róŜnicy faz obu sygnałów pozwala na wyznaczenie czasu propagacji; poprawka na zmienny wpływ jonosfery otrzymywana jest albo w depeszy nawigacyjnej, albo z systemu DGPS.

• Wszystkie satelity emitują na tych samych częstotliwościach, ale z róŜnymi kodami (CDMA– Code Division Multiple Access)

MoŜliwości lokalizacji

• W trójwymiarowej przestrzeni – niezbędny jest sygnał z 4 satelitów

• W 2D – z odbiorem 3 satelitów• Dokładne współrzędne satelitów oraz czas

z synchronizowanego zegara atomowego przekazywane są w DEPESZY NAWIGACYJNEJ

Metody pomiaru

• Przy odbiorze sygnału z 4 satelitów odbiornik oblicza 3 pseudo-odległo ści do satelitów oraz odchyłki czasu

• METODA KODOWA – satelita wysyła a odbiornik generuje taki sam kod. Pomiar przesunięcia daje ∆t przebiegu sygnału i pseudo-odległość d=c.∆tMa zastosowanie przy nawigacji pojazdów; przy wykorzystaniu wszystkich częstotliwości satelity (wprowadza się trzecią), dokładność zwiększa się do kilku – kilkunastu centymetrów

d=c.∆t

Metody pomiaru

• METODA FAZOWA – pomiar fazy (ϕ) sygnału przychodzącego na jednej lub dwóch częstotliwościach; pseudo-odległość:

d = Nλλλλ + λϕλϕλϕλϕgdzie N – całkowita liczba pełnych długości fal w odległości satelita - Ziemia

• Metoda dokładniejsza (nawet do milimetrów); wymaga 12 obserwacji (długości do satelitów), aby wyznaczyćN; trudna do zastosowań mobilnych (opracowuje sięszybkie metody inicjalizacji, np. OTF – On-The-Fly, ok. 10 sekund)

Dokładność• Wskaźnik CEP (Circular Error Probable) odnosi się

do statystycznego udziału punktów o zadanej dokładności w całym zbiorze.

• Przykład: CEP(80%) 1-3moznacza, Ŝe 80% pomiarów mieści się w zakresie błędów 1-3 metra a o pozostałych 20% nic nie wiadomo

• Im mniej sprzyjające warunki pomiaru – tym bardziej prawdopodobne są punkty leŜące w zakresie 20% nieuwzględnianym przez CEP

Błędy pomiaru pozycji

• Opóźnienie jonosferyczne. Błąd odległości wywołany opóźnieniem w propagacji fal radiowych wynosi od 20-30 metrów w dzień do 3-6 metrów w nocy.

• Opóźnienie troposferyczne. Opóźnienie to powstaje w dolnych warstwach atmosfery i jest zaleŜne od temperatury, ciśnienia i wilgotności. MoŜe wynosić do 3 metrów. Lepsze odbiorniki kompensują je prawie całkowicie.

Błędy pomiaru pozycji –c.d.

• Błąd efemeryd - róŜnica między połoŜeniem satelity, wyliczonym z danych orbitalnych a rzeczywistym, spowodowana przez grawitację Słońca i KsięŜyca oraz wiatr słoneczny

• Błąd zegara satelity - róŜnica pomiędzy globalnym czasem GPS a wskazaniem zegara satelity.

• Wielodrogowość - praktycznie niemoŜliwa do skompensowania, zmniejszają ją odpowiednie konstrukcje anten.

Błędy pomiaru pozycji –c.d.

• Błędy odbiornika - błędy pomiaru juŜ w samym odbiorniku GPS, spowodowane szumem, dokładnością oprogramowania oraz zakłóceniami, równieŜ z otaczających instalacji przemysłowych, źle ekranowanych urządzeń elektronicznych, itp.

Inne systemy GPS

• BEIDOU – chiński, 35 satelitów, pomiary z precyzją 0,2 m/s

• DORIS (Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite), system nawigacyjny stworzony przez Francję

Zastosowanie nawigacji satelitarnej

• Ratownictwo - pozwala na szybką lokalizację zaginionych pojazdów, samolotów, statków oraz osób.

• Transport (morski, drogowy, lotniczy jak i kolejowy). Nawigacja satelitarna ma zastosowanie w automatycznej identyfikacji poruszających się obiektów, do sterowania ich trasami i ostrzegania o potencjalnych zagroŜeniach.

…

• Nawigacja osobista - pomoc w identyfikacji nieznanego terenu i dostarczaniu o nim adekwatnych informacji, nadzór nad pracownikami podczas pracy w sytuacjach zagroŜenia, szeroko rozumiana rekreacja.

• Administracja publiczna, np. w finansach, bankowości. Systemy nawigacji satelitarnej ze swymi certyfikowanymi znacznikami czasu będą mogły zapewnić autentyczność i bezpieczeństwo elektronicznego systemu przesyłania danych. Prawdopodobieństwo naduŜyć ulegnie zmniejszeniu, a wszelkie transakcje będą archiwizowane w jednorodnym i godnym zaufania systemie czasu

Badania we wielu krajach wykazały [wg Lokalizacja – Info]

• Urządzenia nawigacji satelitarnej podnoszą świadomość kierowcy oraz redukują stres podczas jazdy.

• Korzystanie z urządzeń nawigacji satelitarnej redukuje wysiłek kierowcy podczas jazdy.

• Korzystanie z urządzeń nawigacji satelitarnej poprawia samopoczucie kierowcy w czasie jazdy przez nieznany teren lub w nieznanym kierunku.

• Korzystanie z urządzeń nawigacji satelitarnej redukuje ilość przejechanych kilometrów.

• Korzystanie z urządzeń nawigacji satelitarnej pozwala zaoszczędzić czas podczas jazdy przez nieznany teren lub w nieznanym kierunku.

TELEFON

„Panie Watson, proszę tutajprzyjść. Potrzebuję pana”

(rok 1876)

Zasada działania pierwszego telefonu

• Cienka membrana drgała pod wpływem ludzkiego głosu

• Membrana umieszczona była w polu magnetycznym elektromagnesu

• Pod wpływem drgań zmieniało się pole magnetyczne, przez co powstawały niewielkie skoki napięcia

• Na drugim końcu przewodu drgania prądu były ponownie zamieniane na skoki membrany

Graham Bell

zgłosił swój wynalazek jako wniosek 174.465 14 lutego 1876 roku

• Pierwsza linia telefoniczna o długości ponad dwóch kilometrów 26 maja1877 r., w Berlinie

Początki

• Pierwsze aparaty (z korbką, później baterią jako źródło zasilania) produkował Siemens & Halske

• Wprowadzono centrale do zestawiania połączeń (na początku oczywiście ręczne)

• Dzięki modulacji amplitudowej moŜna było jednocześnie przesyłać jednym torem transmisyjnym kilka rozmów

• Pierwsza centrala sterowana elektronicznie – Monachium – 1962 r.

Telefonia komórkowa

• Stacje bazowe odgrywają taką rolę, jak centrale dla telefonii stacjonarnej

• KaŜdy, włączony telefon komórkowy odbiera sygnały stacji bazowych i od czasu do czasu wysyła własne sygnały, dzięki którym sieć poprzez swoje stacje bazowe moŜe określić miejsce, w którym telefon się znajduje. I „przypisa ć” telefon do tej stacji , która najlepiej odbiera jego sygnały.

• JeŜeli telefon (wraz ze swoim posiadaczem) się przemieszcza , jest kolejno „przypisywany” do stacji bazowych , które „słyszą” go najlepiej.

GSM

• GSM (Groupe Spécial Mobile – franc.); obecnie tłumaczony jako GlobalSystem for Mobile Communications –najpopularniejszy obecnie standard telefonii komórkowej (80% rynku);

dzięki roamingowi moŜna korzystać z telefonu w większości (ponad 200) krajów świata (ale np. nie w Japonii, czy Korei Południowej…)

• Istnieje pięć głównych standardów GSM, róŜniących się przede wszystkim uŜywanym pasmem radiowym i wielkością zasięgu (tzw. rozmiarami komórek): GSM 400, GSM 850, GSM 900, GSM-1800 (nazywany takŜe DCS), i GSM-1900 (nazywany takŜe PCS). GSM 850 i GSM 1900 wykorzystywane sąw większości państw obu Ameryk. W pozostałej części świata, uŜywany jest standard GSM 900/1800.

Zasięg komórki

• Maksymalny zasięg komórki – około 35 km• Im wyŜsza częstotliwość (czyli większa energia potrzebna do nadawania) –

tym mniejszy zasięg – np. GSM 1800/1900 – około 8-9 km• GSM900 – pokrywa się duŜe, słabo zurbanizowane tereny, a GSM-1800

miasta, ośrodki o duŜym natęŜeniu ruchu turystycznego itp. (większa liczba dostępnych częstotliwości).

• Telefon w systemie GSM uŜywa cyfrowego kanału radiowego przydzielonego mu na czas połączenia przez Kontroler Stacji Bazowych. KaŜda z dostępnych częstotliwości podzielona jest na 8 szczelin czasowych, w których mogą być transmitowane pojedyncze rozmowy (lub pół szczeliny czasowej na jedną rozmowę, co wiąŜe się z pogorszeniem jakości transmisji). Podczas rozmowy telefon wysyła do sieci tzw. raporty pomiarowe, w których zawarte są informacje o sile i jakości sygnału odbieranego z okolicznych stacji bazowych. Na podstawie tych raportów, Kontroler Stacji Bazowych moŜe przyznać częstotliwość związaną z inną stacją, jeśli sygnał ze stacji, z którą telefon nawiązał połączenie staje się zbyt słaby, np. abonent oddala się poza zasięg nadajnika.

GPRS - General Packet Radio Service

• Technologia stosowana w sieciach GSM do pakietowego przesyłania danych

• Informacje są przesyłane przez sieć komórkową w krótkich impulsach

• GPRS jest wykorzystywany przez aplikacje słuŜące do wysyłania „krótkich wiadomości tekstowych” – SMS i łączności (Internet, poczta e-mail)

• GPRS nazywane jest często technologią 2.5G – stanowi element ewolucji GSM jako drugiej generacji do sieci w standardzie 3G

• Specyfikacja GPRS rozwijana jest jako część standardu GSM

W Polsce usługi w standardzie GSM w czerwcu 2009 r. świadczyło czterechoperatorów: Polska Telefonia Cyfrowa (sieć Era), Polkomtel (sieć Plus), PTKCentertel (sieć Orange) oraz P4 (operator sieci Play). Pozostałe wolneczęstotliwości zostały rozdzielone na podstawie przetargów spółkom Aero2, Mobyland i Centernet[13] [14].W grudniu 2006 r. rozpoczął działalność pierwszy wirtualny operator telefoniikomórkowej w Polsce - mBank mobile, korzystający z infrastruktury Polkomtela. Rynek operatorów wirtualnych rozwija się wolno, według szacunków dziennikaRzeczpospolita [15] pod koniec 2008 roku w Polsce było około 165 000 aktywnych klientów MVNO, co stanowi 0.4% całego polskiego rynku telefoniikomórkowej.

(na podstawie Wikipedii)

UMTS – nast ępca GSM

• UMTS – Universal Mobile Telecommunications System

• Telefonia komórkowa trzeciej generacji. UŜytkownicy mogą uzyskaćtransfer danych z przepływnością 1,46 Mbit/s przy wysyłaniu i 7,2 przy odbieraniu danych

• MoŜliwe są bieŜące transmisje wideokonferencji itp.

• Sieci w obu standardach mogą współpracować; takie telefony są równieŜ dostępne

• Zamiennie dla nazwy UMTS uzywa się nazwy zaimplementowanej technologii HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) - lub wspólnie HSPA

• Jeszcze inna nazwa: WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) -technologia związana z dostępem do sieci radiowej stosowana w sieciach komórkowych budowanych w standardzie UMTS.

Środowisko elektromagnetyczne

• Pola elektryczne i magnetyczne w otoczeniu sieci elektroenergetycznych mają częstotliwość 50 Hz.

• Pola elektromagnetyczne, które są uŜywane jako medium, czyli nośniki sygnałów w sieciach radiowych, telewizyjnych i komórkowych mają częstotliwości od kilkuset kiloherców (kHz) poprzez MHz do GHz.

• To, jak pola elektromagnetyczne oddziałują na wszelkie organizmyjest zaleŜne, między innymi, od częstotliwości pól. Ale nie tylko od częstotliwości - równieŜ od natęŜeń tych pól

Zakresy cz ęstotliwo ści

• W Polsce istnieją sieci telefonii komórkowych wykorzystujących zakresy częstotliwości:

- około 900 MHz – sieci GSM 900;- około 1800 MHz – sieci GSM 1800.- około 2100 MHz – sieci UMTS.

• W systemie GSM stacje bazowe nadają swoje sygnały w zakresie częstotliwości od 935 do 960 MHz i od 1805 do 1880 MHz (dawny DCS). Zgodnie z normatywami ETSI maksymalna moc stacji nie moŜe przekraczać 55 dBm, czyli 320 W. W praktyce, w warunkach wielkiego miasta, moce doprowadzane do poszczególnych anten sektorowych nie przekraczają 20 W. Oprócz anten sektorowych na stacjach bazowych GSM instalowane są anteny radiolinii pracujące w miastach, w pasmach 23 GHz, 27 GHz i 38 GHz. Stacje UMTSłączą się z abonentami w zakresie częstotliwości 2100 MHz

Autor: S. RóŜycki