Urządzenia peryferyjne GPS. Wykład 6

Transkrypt

1 Urządzenia peryferyjne GPS Wykład 6

2 Urządzenia nawet w telefonach 2

3 Global Positioning System US DoD NAVSTAR Global Positioning System System bazuje na satelitach 3 segmenty Kontrola Master Control Station Baza Sił Powietrznych Falcon w Colorado Springs 3 anteny naziemne transmitujące komendy 5 stacji monitorujących Przestrzeń powietrzna Satelity Użytkownicy SPS cywile PPS wojsko 3

4 Satelity orbital coverage 24 aktywne satelity 55 equator + ~6 zapasowych 6 grup 4 aktywne + zapasowa earth orbita na wysokości 20,200km nachylone do płaszczyzny równika pod kątem 55 co 12 h okrążają ziemie Ciągły program zastępowania nowymi 4

5 Satelity 5

6 Satelity Każdy satelita Ma ID (0 31) corresponding to a PRN code Transmituje na 2 częstotliwościach modulowane unikalnymi dla każdego satelity pseudolosowymi kodami binarnym L1 ( MHz) Coarse/Acquisition (C/A) code MHz chip rate Zastoswania nawigacyjne Precision P(Y) code MHz chip rate Użytek wojskowy L2 ( MHz) P/Y code only 6

7 Dokładność Każdy satelita ma 4 atomowe zegary monitorowane z systemu naziemnego Satelita nadaje Dane orbitalne o satelicie ID i czas nadania sygnału Orginalna mała dokładnośc poprzez modulowanie kodem SA (Selective Availability - wybiórcza dostępność): 100m horizontalnie, 156m vertykalnie, 340nS czas (95%) Zlikidowano SA w maju m 7

8 Odbierane dane 50 bitów /s known PRN correlator shifts PRN pattern noise signal + 8

9 9

10 Triangulacja Położenie D 1 D 2 10

11 Błędy traingulacji Niepewność położenia Distance Uncertainty 11

12 obliczenia Satelity poruszają się bardzo szybko Wystarczy znać pozycję trzech satelitów oraz wiedzieć, ile wynosi odległość od każdego z nich. Jeżeli znamy dystans od jednego sputnika, to wiemy, że znajdujemy się gdzieś na powierzchni sfery o środku w satelicie i promieniu równym poznanej odległości. Informacja o tym, ile metrów dzieli nas od drugiego sputnika, pozwoli ograniczyć obszar poszukiwań do okręgu będącego przecięciem dwu sfer. Natomiast trzy sfery przecinają się tylko w dwóch punktach, z których jeden można wykluczyć jako będący zbyt daleko od Ziemi lub poruszający się zbyt szybko 12

13 obliczenia Ale jak poznać odległość od satelitów? Każdy z nich emituje sygnał z prędkością światła W każdej depeszy nawigacyjnej znajduje się informacja o chwili, w której została ona wysłana. Ale odbiornik GPS nie ma zsynchronizowamego zegara Dlatego brany jest pod uwagę 4 satelita Mamy 4 niewiadome X, Y, Z Względny czas przy odbiorniku Rozwiązanie 4 równania na podstawie danych z 4 satelitów Wzory: Dokladnosc_pomiarow_odbiornikow_GPS.pdf 13

14 Komunikacja z urządzeniem Format NMEA - National Marine Electronics Association (NMEA) NMEA-0180, NMEA-0182, NMEA-0183 Sprzętowo EIA-422 Mniej więcej RS232 Port COM (sprzętowy lub wirtualny) prędkość 4800 bodów, 8 bitów danych, brak kontroli parzystości, 1 bit stopu. odbiorniki GPS wysyłają więc uaktualnienia pozycji co 2 sekundy każda linia NMEA jest ograniczona do 82 znaków ( 6 linii) 14

15 Komunikacja z urządzeniem każda linia MUSI zaczynać się od znaku $ i kończyć znakiem nowej linii (\r), długość linii nie może przekraczać 80 znaków (+znak początku linii i znak nowej linii), dane wysyłane przez odbiornik GPS są w danej linii podzielone znakami przecinka (,), dane liczbowe mogą posiadać miejsca ułamkowe (po kropce), nie ma z góry ustalonej liczby znaków po kropce (różne urządzenia GPS charakteryzują się różną precyzją pomiaru), na końcu linii może znajdować się suma kontrolna w postaci (gwiazdka + 2 znaki HEX), nie ma obowiązku jej sprawdzania przez aplikację każda linia posiada nagłówek (od znaku $ do pierwszego znaku przecinka) $aaaaa, df1,df2 [Carriage Return][Line Feed] 15

16 NMEA Sentence Structure 16

17 NMEA Komunikat NMEA Opis GPGGA Global positioning system fixed data GPGLL Geographic position latitude \ longitude GPGSA GPGSV GPRMC GPVTG GNSS DOP and active satellites GNSS satellites in view. Recommended minimum specific GNSS data Course over ground and ground speed 17

18 GGA Message Format $GPGGA, , ,S, ,E,1,04,24.4,19.7,M,,,,0000*1F Field Example Comments Message ID $GPGGA UTC Time hhmmss.sss Latitude ddmm.mmmm N/S Indicator S N = North, S = South Longitude dddmm.mmmm E/W Indicator E E = East, W = West Position Fix 1 0 = Invalid, 1 = Valid SPS, 2 = Valid DGPS, 3 = Valid PPS Satellites Used 04 Satellites being used HDOP 24.4 Horizontal dilution of precision Altitude 19.7 Altitude (WGS-84 ellipsoid) Altitude Units M M= Meters Geoid Separation Geoid separation Separation Units M= Meters Time since DGPS in seconds DGPS Station ID Checksum *1F always begin with * 18

19 GSV Message Format (satellite in view) $GPGSV,3,1,10,20,78,331,45,01,59,235,47,22,41,069,,13,32,252,45*70 Field Example Comments Sentence ID $GPGSV No. of sentence 3 No. of messages in complete (1-3) Sequence no. 1 Sequence no. of this entry (1-3) Satellites in view 10 Satellite ID 1 20 Range is 1-32 Elevation 1 78 Elevation in degrees Azimuth Azimuth in degrees SNR 1 45 Signal to noise ratio dbhz (0-99) Satellite ID 2 01 Range is 1-32 Elevation 2 59 Elevation in degrees Azimuth Azimuth in degrees.. Checksum *70 19

20 Sample NMEA data file (output GGA, GSA, GSV and RMC messages) First epoch Second epoch 20

21 dgps GPS różnicowy (1) odbiór pozycji z satelity przez bazowy odbiornik GPS i porównanie jej z własną, niezwykle dokładnie określoną zestawienie odległości - między satelitą a bazowym odbiornikiem - wskazywanej przez dany sygnał z satelity a odległością obliczoną dzięki znanej pozycji bazowego GPS różnica tych dwóch odległości stanowi poprawkę określaną mianem pseudo-range correction, poprawka ta jest natychmiast transmitowana do odbiorników dgps pracujących w tym samym rejonie co bazowy GPS (odbierają te same emisje z tych samych satelitów), które wprowadzają ją do danych odebranych przez normalny GPS i korygują sygnały dla których obliczono poprawkę

22 dgps GPS różnicowy (2) 4 publiczne systemy przekazywania poprawek w systemie emisji sygnałów RTCM SC-104, oprócz systemów publicznych istnieje wiele stacji komercyjnych, głównie o zasięgu lokalnym, ale także globalnych (np. Omnistar, Racal Landstar) przekazujących swoje dane poprzez satelity komunikacyjne. Najczęściej systemy lokalne tworzone są na potrzeby władz portowych pomagając w nawigacji pilotowej, co najmniej jeden system komercyjny obejmuje cały lub większość kraju (np. w Wielkiej Brytanii - Focus FM, w Szwecji - P3), International Association of Lighthouse Authorities (IALA) rozważa możliwość stworzenia spójnego systemu nawigacji brzegowej na częstotliwościach khz

23 EGNOS dla nos! European Geostationary Navigation Overlay Service) - budowany przez Europejską Agencję Kosmiczną, Komisję Europejską i EUROCONTROL, europejski system satelitarny wspomagający systemy GPS i GLONASS, a w przyszłości Galileo, zadania: transmisja poprawek różnicowych i informowanie o awariach systemu GPS, segment kosmiczny - 3 satelity geostacjonarne - obejmuje zasięgiem całą Europę, segment naziemny składa się z szeregu stacji: 34 stacje pomiarowo-obserwacyjne (Ranging and Integrity Monitoring Stations - RIMS) odczytują depesze nawigacyjne z satelitów GPS, jedna z nich w Warszawie, 4 stacje kontrolne (Mission Control Center - MCC) przetwarzają dane i obliczają poprawki różnicowe, 6 stacji transmitujących (Navigation Land Earth Station - NLES) wysyła poprawki do satelitów, które następnie przekazują je do użytkowników.

24 WAAS ist das? Wide Area Augmentation System amerykański satelitarny system wspomagający system NAVSTAR-GPS, 2 szt. satelitów geostacjonarnych obejmujących terytorium Stanów Zjednoczonych transmitują do odbiorników GPS poprawki kompensujące błędy jonosfery, zegara i efemeryd, zwiększa to dokładność wyznaczenia pozycji poziomej przez odbiornik GPS do 2-3m.

25 GLONASS made in charaszo ГЛОНАСС - ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система radziecki, rosyjski, satelitarny system nawigacyjny obejmuje swoim zasięgiem niemal całą kulę ziemską. pozycja jest wyznaczana w punkcie przecięcia czterech sfer o promieniach obliczonych na podstawie czasu propagacji sygnału i środkach znanych z depesz nawigacyjnych wysyłanych przez satelity. ruszył 1 grudnia 1976 dekretem Komitetu Centralnego Partii Komunistycznej i Rady Ministrów ZSRR na 3 orbitach 24 satelity, ale krótka żywotność i problemy finansowe powodują, że na orbicie ok. 13 operacyjnych satelitów, działa prawidłowo, a liczba satelitów ma rosnąć. kąt inklinacji orbit wynosi 64,8 - lepsze pokrycie satelitami wyższych szerokości geograficznych niż w przypadku systemu GPS. na szerokościach okołobiegunowych prowadzona jest intensywna żegluga rosyjskich okrętów podwodnych, nosicieli broni jądrowej.

26 GLONASS orbity, segment naziemny prawie kołowe, wysokość h = km (nieco niższe niż satelity GPS), okres obiegu T = h (satelity GPS są 12-godzinne), nachylenie i = 64.8, co 17 okrążeń (co ok. 8 dni gwiazdowych) każdy satelita pojawia się nad tym samym punktem na Ziemi, o określonym czasie każdego dnia jakiś satelita tej samej orbity będzie widoczny w tym samym punkcie na Ziemi. główna stacja kontroli, 4 stacje monitorująco-śledzące, centralny zegar systemu, systemu monitoringu sygnału nawigacyjnego opartego na bezpośrednim porównywaniu sygnału dwu- i jednodrogowego. funkcjonalnie system kontroli naziemnej jest podobny do systemu GPS, jednak wszystkie jego elementy są ulokowane na terenie b. ZSRR

27 GLONASS sygnał (1) każdy satelita GLONASS transmituje sygnał na innej częstotliwości, częstotliwości L1 wynikają z następującej zależności fl1 = 1,602 GHz + (k - 1) * 0,5625 MHz (dla k=1,2,3,...,24), częstotliwości L1 i L2 są związane zależnością fl1 / fl2 = 9 / 7 (przez pomiar na dwóch częstotliwościach usuwa się refrakcję jonosferyczną), wszystkie satelity GLONASS transmitują taki sam kod (satelity GPS różne kody). Kod P ma długi okres = ok. 30 tygodni, stąd też centrala dzieli go na 30 odcinków, każdy satelita GLONASS nadaje swoją precyzyjną pozycję na pełne pół godziny, sygnały (czasu) są odniesione do systemu czasu UTCSU (uniwersalny czas koordynowany byłego Związku Radzieckiego), współrzędne satelity podawane są w układzie odniesienia SGS 85 (Soviet Geodetic System 85), GLONASS rozpoczął pracę 12 października 1982 roku, a od 1 stycznia 1996 roku jest już w pełnej gotowości, format sygnału "INFO GLONASS Superframe": (główna tablica) 150 sekundowa składa się z 5 tablic 30 sekundowych. Jedna tablica 30 sekundowa rozkłada się na 15 linii subframes 2 sekundowych.

28 GLONASS sygnał (2), odbiorniki Tablica sygnału "INFO GLONASS Superframe": współrzędne i-tego satelity, składowe prędkości i-tego satelity, składowe przyśpieszenia perturbującego wywołanego niecentralnym polem grawitacyjnym Ziemi i wpływem Księżyca, poprawkę zegara i-tego satelity do czasu Glonass, kalendarz (dzień), nr identyfikacyjny satelity, (zawartość inform nawig: współrzędne i-tego satelity, składowe prędkości i-tego satelity). system nie stosuje żadnych zakłóceń. odbiorniki - produkcji rosyjskiej - wojskowe lub okrętowe, produkcja cywilnych odbiorników 12 lub 24-kanałowych jest dopiero przygotowywana odbiorniki uniwersalne - dla GPS i GLONASS - są produkowane przez niektórych producentów zachodnich: 3S Navigation R100/30T, Ashtech Z18

29 Galileo Unia też łapie pozycję w trakcie budowy do 2012, kontrolowany przez instytucje cywilne faza definicji od 19 lipca 1999 do 22 listopada 2000: przeanalizowano potrzeby przyszłych użytkowników systemu i określono techniczne, ekonomiczne i programowe aspekty realizacji projektu, od 2002 faza budowy: szczegółowe zdefiniowanie parametrów technicznych i projekt segmentów: naziemnego, kosmicznego i użytkownika, pierwszy etap testów systemu zakończony 22 grudnia testów segmentu naziemnego. drugi etap od 28 grudnia 2005 wyniesienie na orbitę pierwszego testowego satelity systemu GIOVE-A. trzecia faza budowy - umieszczenie wszystkich operacyjnych satelitów na orbitach okołoziemskich oraz pełne uaktywnienie segmentu naziemnego wraz z oddaniem systemu do użytku publicznego.

30 Galileo segment kosmiczny 27 satelitów operacyjnych i 3 zapasowych równomiernie rozmieszczonych na 3 orbitach, wysokość orbity km, a kąt inklinacji 56, satelity będą nadawać 10 sygnałów w trzech pasmach częstotliwości - sygnały oznaczone numerami 1, 2, 3, 4, 9 i 10 będą dostępne dla wszystkich użytkowników o ile ich odbiorniki będą zapewniały taką funkcjonalność. Pozostałe sygnały będą szyfrowane i dostępne tylko dla użytkowników mających dostęp do serwisu komercyjnego CS i serwisu regulowanego publicznie PRS, część sygnałów nie będzie zawierać żadnych danych, będzie przeznaczona do wyznaczania poprawki jonosferycznej w celu zwiększenia dokładności. naziemny segment kontroli satelitów GCS (Ground Control System) - kontroluje stan techniczny satelitów i uzupełnia braki w konfiguracji satelitów, naziemny system kontroli funkcjonowania całego systemu GMS (Ground Mission System): 5 stacji sterujących - ciągła kontrola i dwukierunkowa łączność ze wszystkimi satelitami systemu, segment GSS: kilkadziesiąt stacji śledzących GSS (Ground Sensor Station) rozmieszczonych na całym świecie - nieustanna obserwacja wszystkich satelitów. dane przekazywane do stacji kontrolnych GCC (Galileo Control Center)- analiza i na ich podstawie generacja depesz nawigacyjnych przekazywany do satelitów za pośrednictwem 10 stacji ULS (Up-Link Station).

31 Galileo - serwisy Serwis otwarty (Open Service - OS) - darmowy do wyznaczania współrzędnych z dokładnością od 15 do 4 m, wysokości z dokładnością od 35 do 8 m i czasu. Serwis bezpieczeństwa życia (Safety of Life Service - SoL) - rozszerzenie serwisu otwartego o ostrzeżenia o utracie integralności danych, użytkownik w czasie kilku sekund zostanie powiadomiony o spadku dokładności wyznaczanej pozycji. Serwis komercyjny (Commercial Service - CS) - większa dokładność (do 0,8 m w poziomie i do 1 m w pionie, przesyłanie wiadomości od stacji naziemnych do użytkowników, prawdopodobnie też zostanie zapewniona gwarancja jakości fukcjonowania systemu, dostęp do tego serwisu będzie odpłatny. Serwis regulowany publicznie (Public Regulated Service - PRS) - dla wybranych użytkowników wymagających bardzo wysokiej dokładności i wiarygodności danych, poza danymi niezbędnymi do określenia pozycji i czasu będzie dostarczał wiadomości związane z bezpieczeństwem narodowym, dotyczące transportu, telekomunikacji i energetyki itd. dostęp dla europejskich instytucji związane z bezpieczeństwem narodowym, dla organów ścigania. Serwis poszukiwania i ratowania (Search and Rescue Service - SAR) - umożliwi odebranie sygnału wzywania pomocy wraz z pozycją geograficzną i przekazanie go do służb ratowniczych.

32 Galileo - satelity 28 grudnia 2005 z Bajkonuru wystrzelono pierwszego satelitę systemu Galileo, GIOVE-A (GSTB-V2/A): Galileo In-Orbit Validation Element, po włosku - Jowisz. robocza, kodową nazwą satelity: GSTB-V2/A Galileo System Testbed. główne cele umieszczenia GIOVE-A na orbicie: faktyczne wykorzystanie przydzielonych systemowi częstotliwości radiowych, sprawdzenie działania rubidowego zegara satelity oraz charakterystyki orbity. następny satelita, GIOVE-B (GSTB-V2/B), którego wystrzelenie przewidywane było na rok 2007, ale jeszcze nie poleciał, podobno wszystkie będą gotowe do startu pod koniec 2010, na początku 2011, będą miał na pokładzie drugi zegar, oparty na maserze wodorowym i ulepszone urządzenia nadawcze. A Chińczyki panie też kombinują u siebie, ale panie pieron wie co z tego będzie i kiedy a nazywają to panie Beidou

33 GPS ograniczenia Nie pracuje pod wodą czy w budynlach Potrzebuje czystego nieba Brak stalitów w kanionach miejskich Mogą wystąpić problemy w gęstych lasach Dziury na niebie equator 55 orbital coverage earth 33

34 Dziury na niebie 34

35 Assisted GPS 35

36 Assisted GPS 36

37 Gps dla biednych 37

38 GSM i UMTS - potencjał w całej Polsce jest ok BTS-ów, po 6000 przypada na każdego operatora: Plus GSM, ERA, Orange duże miasto Szczecin ma ok. 210 BTS-ów, po 70 należy do każdego operatora małe miasto Stargard Szczeciński ma po 4 BTS-y należące do każdego operatora każdy abonent ma cechy specyficzne: nr telefonu, IMEI, MSISDN GSM z zasady swego działania bada moc i jakość sygnału w kanale GSM z zasady swego działania testuje jakość kilku kanałów podczas jednej transmisji danych w triangulacji zawsze tkwi moc!

39 GSM i UMTS technologia (1)

40 GSM i UMTS technologia (2)

41 GSM i UMTS technologia (3)

42 CELL ID Cell ID Positioning 42

43 MAPS (Mobile Active Positioning System RSSI - received signal strength indicator 43

44 GSM i UMTS technologia (4)

45 GSM i UMTS technologia (5)

46 W praktyce właściciela telefonu CellID Location Area Code Mobile Country Code