ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ Indoor navigace Assisted GPS Ondřej Vaněk
1. Úvod S pojmem GPS (Global Positioning System) se v dnešní době setkáváme prakticky na každém kroku. Určit polohu pomocí standardního přijímače GPS kdekoliv na světě se stává běžnou záležitostí. Systém, který je levný, uživatelsky jednoduchý a je odolný vůči meteorologickým vlivům a počasí, si velmi rychle našel své uživatele. Ovšem v jistých místech je tento způsob určování polohy nedostačující - je to hlavně v zastavěných oblastech jako jsou velkoměsta, údolí, tunely, podzemní garáže apod. Do těchto míst se signál dostává pouze stěží, a proto je jeho výkonová úroveň velmi nízká a běžnými GPS přijímači nelze tento signál zpracovat nebo jeho zpracování trvá neprakticky dlouho. Navíc v těchto oblastech vznikají odrazy signálu a jejich vzájemná interference, což se projevuje opět na rychlosti zpracování signálu a také na přesnosti celého měření. Na druhé straně je tlak na efektivní vyřešení tohoto problému velmi vysoký, jelikož právě v těchto oblastech je potřeba velmi přesná navigace a určení polohy - ve městech, kde GPS navigace velmi pomáhá při určování polohy chodců, při navigaci automobilů, prostředků městské hromadné dopravy či dalších dopravních prostředků. Např. v železniční dopravě je velikost signálu z družice nedostačující především v údolích, tunelech a stinných oblastech, ale i zde je potřeba určit polohu vlaku, jeho délku nebo rychlost. Na poli řešení tohoto problému, odborně nazývaného indoor navigace (indoor navigation), se objevily zhruba dva způsoby Assisted GPS (A-GPS) a navigace pomocí pseudosatelitů (pseudosatelites). V mé seminární práci se budu zabývat prvním způsobem řešení, tedy A-GPS. 2. Assisted GPS (A-GPS) 2.1 Co je A-GPS Jak již bylo řečeno v úvodu, systém A-GPS je jedním ze způsobů, jak vyřešit problém indoor navigace v problematických oblastech jmenovaných výše. V dnešní době jsou již přijímače GPS součástí mobilních zařízení jako jsou telefony GSM či mobilní osobní počítače. Tyto zařízení nacházejí oblast použití převážně v kancelářích či domácnostech, kde právě lze signál, vysílaný družicemi, zpracovat len velmi obtížně, jelikož jeho výkonová úroveň je velmi nízká, a proto určit polohu buď nelze vůbec nebo určení polohy trvá dlouho a je nepřesné.
2.2 Princip A-GPS Funkce A-GPS je založena na pomoci (asistenci) ke standardnímu GPS přijímači. Ten totiž po tzv. studeném startu hledá signál z družice pomocí prohledávání tzv. frekvenčně/kódového prostoru pomocí rozsáhlé paralelní korelace. Běžný GPS přijímač obsahuje pouze dva korelátory na každý kanál, kterými musí prohledat každý z 1023 možných kódových zpoždění a pro nalezení signálu je třeba projít všechny sousední frekvenční pásma (obr. 1). obr. 1 výstup korelace korelační pík standardního přijímače GPS Aby hledání netrvalo příliš dlouho, je třeba prohledat 1 frekvenční pásmo v době kratší než 1ms. Tento limitující čas je omezující pro velikost signálu. Jinak řečeno, výkonová úroveň signálu je funkcí času, potřebného na prohledávání frekvenčně/kódového prostoru, takže čím kratší čas na hledání, tím musí být úroveň signálu vyšší, aby jej bylo možné detekovat. V normálních podmínkách je tento požadavek na velikost signálu splněn. Systém A-GPS pracuje na principu poskytnutí nápovědy, ve kterých frekvenčních pásmech se signál má hledat. Frekvenční odstup signálu je znám díky známému Dopplerovu posuvu, který vzniká díky neustálému pohybu družic. Jelikož polohy družic jsou známy nejen v reálném čase, ale taky na několik dní dopředu, lze také s určitou přesností určit frekvenční pásmo, ve kterém se signál
nachází (bude nacházet). V praxi se jako pomocné informace vysílají data o poloze družice, ze které se signál přijímá. Lze tedy výrazně redukovat prohledávaná frekvenční pásma a tím získat více času na prohledávání jednotlivých, nyní již pouze několika, frekvenčních pásem (obr. 2). Jinými slovy lze buď zrychlit hledání signálu (outdoor GPS) nebo zvýšit citlivost přístroje (indoor GPS). Tento způsob však je pouze částečným řešením problému indoor navigace, neboť zvyšuje citlivost přístroje zhruba jen o 10dB. obr. 2 výstup korelace omezení prohledávacího prostoru A-GPS Další cesta ke zvýšení citlivosti GPS přijímače je pomocí rozsáhlé paralelní korelace. Signál např. uvnitř obchodních center, kde jsou železobetonové stěny, či uvnitř nízkých zděných budov, je oproti normálnímu signálu z družice utlumen asi o 20-30dB. Zvýšit citlivost o 10dB tedy zjevně nestačí. Další zvýšení citlivosti (přesnosti) GPS přijímače lze učinit za předpokladu rychlejšího prohledávání jednotlivých kódových zpoždění. Nejlépe všechny prohledávat najednou paralelně. Součástí přístroje je tedy vysoký počet korelátorů, které tuto funkci zajistí. A-GPS přijímač má oproti klasickému GPS přijímači zhruba 500x více korelátorů, které umožňují paralelně prohledávat jednotlivá kódová zpoždění. Umístění čipu s korelátory a jeho implementace do standardního přijímače GPS je schématicky zobrazena na (obr. 3). Tento princip tedy umožňuje dále zvýšit citlivost přístroje a určit polohu i v tak náročných podmínkách, jako jsou podzemní garáže, rozsáhlá
nákupní centra uprostřed velkoměst či v kancelářích, a to z velmi slabého signálu z družic, který je utlumen až o 30dB oproti standardnímu signálu v běžných podmínkách. obr. 3 implementace systému A-GPS ke standardnímu GPS přijímači Výše zmiňované pomocné informace o pozici družic jsou vysílány pomocí sítě referenčních stanic, které vlastní společnost Global Locate. Tyto referenční stanice sledují pohyb všech družic a vysílají informace o jejich pozicích, které vypočítávají na několik dní dopředu (obr. 4). Součástí vysílaných informací jsou také informace o času. Tento systém tedy může fungovat i v případě výpadku sítě družic, které může na několik dní nahradit právě ona síť referenčních stanic. Všechny požadované informace se nejčastěji vysílají do mobilních telefonů, ve kterých je implementace GPS přijímače v dnešní době nejčastější. Proto se také potřebná data vysílají formou SMS (Short Messaging Service) zpráv, které lze přijmout do každého mobilního telefonu. Ten zprávu přijme, dekóduje na formu, které rozumí GPS přijímač a následně se určí poloha způsobem popsaným výše.
obr. 4 schéma systému A-GPS, síť referenčních stanic 2.3 Praktické zkušenosti Systém využívající A-GPS byl již několikrát úspěšně testován. Společnost Global Locate [3] vyvinula přijímač, který testovala v rozsáhlém prostředí. [1] Testy probíhaly v běžných aplikacích přijímače GPS navigace automobilu na cestě, určení polohy osob, či parkování automobilu v krytých patrových parkovištích. Ve všech případech byla naměřena výkonová úroveň signálu od -155dBm do -137dBm. V nejtěžších podmínkách, a to v nejnižším poschodí parkoviště, byla naměřena doba nalezení signálu (tzv. time-to-first-fix = TTFF), která je určující pro vyhodnocení měření, zhruba pět vteřin, kdy systém zpracovával signál o velikosti 155dBm. V ostatních měřeních, tedy např. i při jízdě automobilem, byla naměřena doba okolo 250ms a přesnost určení polohy byla dostačující i pro určení, na které straně vozovky se automobil nachází. Z provedených měření lze tedy s dostatečnou přesností a rychlostí určovat polohu. 2.4 Závěr Systém Assisted GPS byl vyvíjen jako potřeba umožnit určení polohy i v oblastech, kde standardní GPS přijímač nebyl schopen uspokojivě pracovat. Americká vláda dodala první podnět
k řešení tohoto problému, a to hlavně kvůli systému první pomoci, kdy bylo potřeba přesně a rychle určit polohu volajícího o pomoc kdekoliv na světě (převážně tedy v obydlených oblastech), tzv. E911 (Enhanced 911), v Evropě E112 (Enhanced 112). Vzhledem k narůstajícímu počtu volajících z mobilních telefonů bylo nutné vyvinout systém, který by byl implementačně jednoduchý, kompatibilní se standardním GPS a dostatečně účinný. Společnost Global Locate, Inc. [3] v čele s Dr. Frankem van Diggelenem vyvinula systém A-GPS společně s podporou rozsáhlé paralelní korelace, zajištěné vysokým počtem korelátorů (až 500x více než běžný GPS přijímač). Tento systém byl úspěšně vyzkoušen i v těch nejtěžších podmínkách a výsledky měření byly velmi uspokojivé. Způsob řešení problému indoor navigace pomocí A-GPS je velmi výhodný nejen kvůli jeho praktickému použití a úspěšnosti experimentálního měření, ale také z důvodu jednoduchosti implementace do běžně používaných mobilních zařízení. 3. Použitá literatura a zdroje [1] Diggelen, F. V.: Indoor GPS theory and implementation. IEEE position, location and navigation symposium, 2002. [2] LaMance, J. DeSalas, J.: Assisted GPS : A low-infrastructure approach. GPS World, roč. 13, 2002, č. 3, str. 46-51 [3] Global Locate, Inc., 2004, <http://www.globallocate.com> [4] Giggelen, F. V. Abraham, Ch.: Indoor GPS Technology. Global Locate, Inc., 2001, 10 s. [5] Seoul National University. 2004, <http://www.snu.ac.kr:6060/engsnu/index.html>