Lokalizacja Global Positioning System. Systemy nawigacji satelitarnej

Transkrypt

1 Lokalizacja Global Positioning System Systemy nawigacji satelitarnej

2 Radionawigacja Wykorzystanie fal radiowych do określenia własnego połoŝenia i wyznaczenia dalszej drogi Systemy radionawigacyjne korzystają z nadających określone sygnały rozpoznawcze radiolatarni.

3 Systemy radionawigacyjne [ z Wikipedii]

4 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

5 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 Selected Availability jest zwiększany, w pozostałych od 2000 r. nie jest dodawany, co daje dokładność lokalizacji 4-12 metrów

6 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

7 Struktura GALILEO segment kosmiczny 27 satelitów operacyjnych i 3 zapasowe, na średnich orbitach (MEO Medium Earth Orbit), na wysokości km nad Ziemią, z czasem okrąŝenia 14 godzin i 21 minut 10 sygnałów ogólnie dostępnych na trzech pasmach; dodatkowo sygnały szyfrowane i korekcyjne

8 GLONASS (Globalnaia Navigacionnaia Sputnikovaia Sistiema) Utworzony dla celów wojskowych w 1976r. W 1993 r. 12 satelitów, w satelity; od 1999 dostępny dla odbiorców cywilnych Wprowadza ograniczenie dokładności do 30 m Satelity krąŝą w odległości km od Ziemi, na prawie kołowych orbitach Od kilku lat dostępne są odbiorniki do jednoczesnego odbioru GPS i GLONASS (podobna zasada działania) system GNNS

9 GLONASS

10 GPS NAVSTAR Navigational Satellite Time & Ranging Segment kosmiczny: system 24 satelitów krąŝących na orbitach km, na 6 płaszczyznach; przynajmniej 5 satelitów jest rezerwowych

11 Satelita NavStar

12 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 w razie 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.

13 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.

14 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

15 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

16 Zasada działania Sygnał dociera na częstotliwościach nośnych: f 1 =1575,42 MHz i f 2 =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)

17 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

18

19 Metody pomiaru Przy odbiorze sygnału z 4 satelitów odbiornik oblicza 3 pseudo-odległości 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. t Ma zastosowanie przy nawigacji pojazdów; przy wykorzystaniu wszystkich częstotliwości satelity (wprowadza się trzecią), dokładność zwiększa się do kilku kilkunastu centymetrów

20 d=c. t

21 Metody pomiaru METODA FAZOWA pomiar fazy (ϕ) sygnału przychodzącego na jednej lub dwóch częstotliwościach; pseudo-odległość: d = Nλ + λϕ gdzie N całkowita liczba pełnych długości fal w odległości satelita - Ziemia Metoda dokładniejsza (nawet do milimetrów); wymaga 12 obserwacji (długości do satelitów), aby wyznaczyć N; trudna do zastosowań mobilnych (opracowuje się szybkie metody inicjalizacji, np. OTF On-The-Fly, ok. 10 sekund)

22 Dokładność Wskaźnik CEP (Circular Error Probable) odnosi się do statystycznego udziału punktów o zadanej dokładności w całym zbiorze. Przykład: CEP(80%) 1-3m oznacza, 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

23 Błędy pomiaru pozycji Opóźnienie jonosferyczne. Błąd odległości wywołany opóźnieniem w propagacji fal radiowych wynosi od 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.

24 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.

25 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.

26 Inne systemy GPS BEIDOU chiński, 35 satelitów, pomiary z precyzją 0,2 m/s DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite), system nawigacyjny stworzony przez Francję

27 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.

28 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

29 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.

30 TELEFON Panie Watson, proszę tutaj przyjść. Potrzebuję pana (rok 1876)

31 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 lutego 1876 roku Pierwsza linia telefoniczna o długości ponad dwóch kilometrów 26 maja 1877 r., w Berlinie

32 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.

33 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 przypisać 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.

34 GSM GSM (Groupe Spécial Mobile franc.); obecnie tłumaczony jako Global System 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 (nazywany takŝe PCS). GSM 850 i GSM 1900 wykorzystywane są w większości państw obu Ameryk. W pozostałej części świata, uŝywany jest standard GSM 900/1800.

35

36 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.

37 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 ) 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

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

39 UMTS następca GSM UMTS Universal Mobile Telecommunications System Telefonia komórkowa trzeciej generacji. UŜytkownicy mogą uzyskać transfer 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.

40 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 organizmy jest zaleŝne, między innymi, od częstotliwości pól. Ale nie tylko od częstotliwości - równieŝ od natęŝeń tych pól

41 Zakresy częstotliwości W Polsce istnieją sieci telefonii komórkowych wykorzystujących zakresy częstotliwości: - około 900 MHz sieci GSM 900; - około 1800 MHz sieci GSM 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 UMTS łączą się z abonentami w zakresie częstotliwości 2100 MHz

42 Autor: S. RóŜycki

43