Politechnika Poznańska  Wydział Maszyn Roboczych i Transportu

Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych

Wykład 17



Technologie mobilne

dr inż. Michał Maciejewski

[e-mail]

Systemy informacyjno-informatyczne

w transporcie

2

Plan wykładu

• Technologie mobilne

• Nawigacja satelitarna (GPS)
• Systemy komórkowe

Technologie mobilne

• Anytime + anywhere

– Pozycjonowanie
– Komunikacja mobilna
– Cyfrowe mapy

– pracownik mobilny
– zarządzanie flotą pojazdów
– inteligentna nawigacja miejska
– pojazdy/samoloty/… bezzałogowe
– …

3

Systemy mobilne

• Zalety

– Dostęp do danych niezależnie od miejsca i czasu
– Skrócony czas dostępu do danych
– Skalowalność – możliwość ciągłego rozwoju systemu
– Efektywność wykorzystania zasobów - zdalny dostęp

i współdzielenie zasobów

• Problemy

– możliwości urządzeń mobilnych
– szybkość transmisji
– zasięg łączy
– brak jednolitych standardów

4

5

Plan wykładu

• Technologie mobilne

• Nawigacja satelitarna (GPS)

• Systemy komórkowe

Nawigacja satelitarna

• GPS-NAVSTAR

– Global Positioning System – NAVigation Signal Timing

And Ranging

– system nawigacji satelitarnej obejmujący całą kulę

ziemską

– okres budowy: 1978-1995

– rozwiązania konkurencyjne

• GLONASS (Rosja, 1976-2009)
• Galieo (UE, 2007-2013)
• COMPASS (Chiny, 2007-)
• IRNSS (Indie, 2006-)

6

Nawigacja satelitarna

• Budowa i działanie

– Konstelacja (minimum) 24 satelitów
– Satelity wysyłają dokładny sygnał (mikrofale)
– Odbiornik GPS odbiera sygnał z satelitów

(teoretycznie wystarczy sygnał z 4 satelitów)

– Odbiornik GPS wyznacza

• pozycja
• prędkość
• kierunek
• czas

7

Nawigacja satelitarna

• Budowa systemu GPS

– Segment kosmiczny

• 24 satelity na 6 stałych orbitach na wysokości

20162,61km nad powierzchnią Ziemi

– Segment naziemny

• Nadzorujący działanie systemu, obserwujący i

korygujący położenie satelitów

– Segment użytkowników - odbiorniki GPS

• standardowy - SPS (Standard Positioning Service)
• precyzyjny - PPS (Precise Positioning Service) -

użytkownicy „autoryzowani”

8

Nawigacja satelitarna

• Idea

– 24 satelity – prawdopodobieństwo 99,96%

prawdopodobieństwa widoczności przynajmniej 5
satelitów (nie dot. biegunów)

– teoretycznie do wyznaczenia pozycji wystarczy

widoczność 4 satelitów

– na podstawie sygnałów z satelitów wyznaczane są

wielkości:

• x (długość geograficzna)
• y (szerokość geograficzna)
• z (wysokość n.p.m.)
• t (czas)

9

Nawigacja satelitarna

• Mniej satelitów?

– gdybyśmy znali precyzyjny czas – 3 satelity do

wyznaczenia pozostałych parametrów (w praktyce:
zbyt mała dokładność odbiorników GPS)

– płynący statek ma zerową wysokość n.p.m. – 3 satelity

do wyznaczenia pozostałych parametrów

– uwzględnienie efektu Dopplera, znajomość ostatniej

pozycji, czujniki inercyjne ruchu – daje przybliżoną
informację, gdy mniej niż 4 satelity widoczne

• Więcej satelitów?

– Uwzględniając niedokładności pomiarów

uwzględnienie większej liczby satelitów zwiększa
precyzję systemu

10

Nawigacja satelitarna

• Jakość pozycjonowania

– pogorszenie jakości w terenie zabudowanym (gorsza

widzialność satelitów, zakłócenia sygnału)

• wpływ telefonii komórkowej i in. technologii

bezprzewodowych

• odbijanie się sygnału od przeszkód (np. budynki)

– lepsza jakość na otwartej przestrzeni (większa

widzialność satelitów, mniej zakłóceń sygnału)

– najlepsza jakość na morzu – otwarta przestrzeń +

znajomość wysokości n.p.m.

11

Nawigacja satelitarna

• Wizualizacja

12

Nawigacja satelitarna

• Błędy pozycjonowania GPS

– błędów systemu
– błędów odbiornika
– błędów propagacji sygnałów
– stanu jonosfery
– stanu troposfery
– aktywności Słońca
– błędów związanych z liczbą i konfiguracją

„widocznych” satelitów

13

Nawigacja satelitarna

• Dokładność systemu GPS

– Błąd wynikający ze stosowania sygnału S/A (Selective

Availability) - zakłócenie wprowadzone w 1990 dla
zastosowań cywilnych
Polegało na celowym obniżeniu dokładności
określenia położenia satelitów, powodując obniżenie
dokładności pozycjonowania obiektów do około 100
m

– Po wyłączeniu z dniem 2 maja 2000 roku zakłócenia

S/A błąd wyznaczenia pozycji GPS - nie przekracza
22 m

– W praktyce dla określenia pozycji poziomej w

zależności od lokalizacji waha się od 2 do 6 m

14

Nawigacja satelitarna

• GPS różnicowy – DGPS

– Niewystarczająca dokładność GPS dla wielu

zastosowań (geodazja, nawigacja lądujących
samolotów)

– DGPS (Differential GPS)– uwzględnienie poprawek

różnicowych w celu zwiększenia precyzji

– Założenie: występowanie takich samych

niedokładności GPS w ramach niewielkiego obszaru

– Wniosek: Odbierając sygnał GPS w miejscu o

znanym i niezmiennym położeniu (stacje
różnicowe) można wyznaczyć niedokładności
pomiaru i przesłać je do odbiorników DGPS
znajdujących się w pobliżu

15

Nawigacja satelitarna

• GPS różnicowy – DGPS

– W Polsce 2 stacje różnicowe wykorzystywane gł.

przez jednostki morskie:

• Dziwnów
• Rozewie

– Obszar działania: do 100 km
– Uzyskiwana dokładność: 0,5 – 2 m

16

Nawigacja satelitarna

• Zastosowania

– nawigacja

• szybki czas pomiaru – 1 sekunda
• dokładność kilka/kilkadziesiąt metrów

– pomiary kartograficzne

• tworzenie baz informacji geograficznej ( GIS)
• rejestracja informacji z GPS podczas sesji pomiarowej
• opracowanie informacji po zakończeniu sesji

– geodezja

• dokładne metody obserwacyjne
• informacje nt.: pola grawitacyjnego Ziemi, ruchów bieguna,

ruchu płyt kontynentalnych, działalności wulkanicznej i
tektonicznej, stanu mórz i ocenów

– transfer czasu

• zegary atomowe w satelitach, systematycznie kalibrowane
• dokładność pomiaru czasu w odbiorniku GPS: 60

nanosekund

17

18

Plan wykładu

• Technologie mobilne
• Nawigacja satelitarna (GPS)

• Systemy komórkowe

Systemy komórkowe

• Krótka historia

– 1898 – pierwsza wiadomość przesłana drogą radiową
– 1908 – U.S. Patent na bezprzewodową telefonię
– lata 30-40 XX w. – idea telefonii komórkowej (m.in.

Bell Labs)

– 1956 – Ericsson – aparat telefoniczny

• rozmiar walizki, ciężar 40 kg, cena samochodu
• pierwszych 100 abonentów mogło łączyć się ze sobą w

Sztokholmie i najbliższej okolicy, zasięg ok. 30 km

– 1973 – ręczny aparat telefoniczny (Motorola)
– 1979 – pierwsza komercyjna sieć komórkowa w

mieście (Japonia, NTT)

– 1981 – sieć 1G (Skandynawia)
– 1991 – sieć 2G (Finlandia)
– 2001 – sieć 3G (Japonia)

19

Systemy komórkowe

• GSM

– Global System for Mobile Communications
– najpopularniejszy obecnie standard telefonii

komórkowej

– transmisja

• głosu
• wiadomości (tekstowe, multimedialne)
• danych (np. Internet)

– wrzesień 2007 – ok. 2 mld unikatowych numerów

abonenckich telefonii GSM, 200+ krajów

20

Systemy komórkowe

• Dane techniczne

– Częstotliwości

• 900/1800 MHz
• 850/1900 MHz (USA, Kanada) – pierwotne częstotliwości

były już zajęte

– Zasięg stacji bazowej: max 35 km

• Karta SIM

– Subscriber Identity Module (SIM card)
– konto użytkownika

• IMEI

– International Mobile Equipment Identity number
– identyfikator aparatu komórkowego

21

Systemy komórkowe

• Koncepcja pojedynczej stacji nadawczo-odbiorczej

– zasięg stacji = cały obszar działania systemu

– mała pojemność systemu (liczba równocześnie

obsługiwanych użytkowników)

– duża moc aparatów komórkowych

• duża waga i wymiary
• duże zużycie energii (krótki czas działania

akumulatorów albo akumulatory dużego rozmiaru)

• duże promieniowanie elektromagnetyczne (w pobliżu

stacji oraz każdego aparatu komórkowego)

22

Systemy komórkowe

• Topografia komórkowa

– podział całego obszaru działania na fragmenty

(„plastry miodu”)

– stacje bazowe o małym zasięgu obsługują te

fragmenty

– sąsiadujące komórki grupuje się w zespoły (klastry) i

rozdziela się pomiędzy nimi całą pulę kanałów
częstotliwościowych

– ważne jest precyzyjne zaprojektowanie topografii

systemu, aby uniknąć kolizji – wzajemnego
zakłócania sygnału

23

Systemy komórkowe

• Zalety topografii komórkowej

– elastyczność topografii systemu

• w zależności od intensywności ruchu telefonicznego

generowanego przez abonentów

• im większa intensywność – tym drobniejsze komórki

– ograniczona moc aparatów komórkowych (tzw. stacji

mobilnych)

• małe wymiary
• długi okres życia baterii/akumulatorów (battery life)
• słabsze promieniowanie elektromagnetyczne

24

Systemy komórkowe

• Podział obszaru na komórki i zespoły wraz z

przypisaniem im wiązek kanałów
częstotliwościowych

25

Systemy komórkowe

• Topografia systemu z lokalnie „zagęszczonymi”

komórkami

26

Systemy komórkowe

• Struktura sieci GSM

27

Systemy komórkowe

• Stacje bazowe GSM

28

Systemy komórkowe

• Stacje bazowe GSM – kamuflaż

29

30

Dziękuję…