Univerzita Pardubice Fakulta dopravní
Satelitní navigace GPS a její využití při vyhledávání vozidel Tomáš Khom
Bakalářská práce 2008
SOUHRN Tato bakalářská práce je věnována satelitní navigaci GPS, se zaměřením na její užití při vyhledávání vozidel. KLÍČOVÁ SLOVA GPS, GNSS, GLONASS, družice, Galileo, Sherlog, GPS/GSM sysém. TITLE Satellite navigation GPS and its usage to search vehicles ABSTRACT This bachelor work is apllyed to Satellite navigation GPS with a view to usage of Satellite navigation GPS to search vehicles. KEYWORDS GPS, GNSS, GLONASS, satellite, Galileo, Sherlog, GPS/GSM system.
-4-
Poděkování : Chtěl bych poděkovat vedoucímu mé práce Ing. Ivo Šefčíkovi Ph.D. za cenné rady, vedení při práci, poskytování řady důležitých informací pro vypracování bakalářské práce a hlavně za trpělivost až do poslední chvíle. Dále Matinu „Ziprovi“ Novákovi ze společnosti Secar Bohemia za spolupraci, trpělivý přístup a mnoho důležitých informací a materiálů. A samozřejmě i mé přítelkyni Elišce která mi poskytovala nezbytnou podporu jak při studiu, tak i při psaní této práce. -5-
OBSAH 1 FUNKCE SYSTÉMU GPS.................................................................................................- 8 1.1 ÚVOD ............................................................................................................................ - 8 1.1.1 Historie .................................................................................................................- 8 1.1.2 Časový přehled......................................................................................................- 9 1.2 STRUKTURA SYSTÉMU ................................................................................................. - 10 1.2.2 Řídící a kontrolní segment ..................................................................................- 13 1.2.3 Uživatelský segment ............................................................................................- 14 1.3 RÁDIOVÉ SIGNÁLY GPS .............................................................................................. - 16 1.3.1 Modulace a demodulace .....................................................................................- 16 1.4 URČOVÁNÍ POLOHY A ČASU ........................................................................................ - 18 1.4.1 Vztažné soustavy .................................................................................................- 18 1.4.2 Kódová měření ....................................................................................................- 18 1.5 PŘESNOST MĚŘENÍ ...................................................................................................... - 19 1.5.1 Efemeridy a družicové hodiny.............................................................................- 21 1.5.2 Ionosférická a troposférická refrakce.................................................................- 22 1.5.3 Vícecestné šíření signálu a přijímač ...................................................................- 23 1.5.4 Geometrické rozmístění družic ...........................................................................- 23 1.5.5 Selektivní dostupnost (Selective Availability) .....................................................- 24 2 VYUŽITÍ GPS V AUTOMOBILOVÉM PRŮMYSLU...................................................- 24 2.1 NAVIGACE................................................................................................................... - 25 2.2 ŘÍZENÍ DOPRAVY ......................................................................................................... - 26 2.3 ŘÍZENÍ A SLEDOVÁNÍ VOZOVÉHO PARKU ..................................................................... - 26 2.4 POHOTOVOSTNÍ A ZÁCHRANNÉ SLUŽBY ...................................................................... - 26 2.5 INTELIGENTNÍ SYSTÉMY PRO ASISTENCI PŘI ŘÍZENÍ ..................................................... - 26 2.6 SYSTÉMY VÝBĚRU MÝTNÉHO ...................................................................................... - 27 2.7 GNSS A ESAFETY ....................................................................................................... - 27 3 VÝHLED DO BUDOUCNA............................................................................................- 28 3.1 EVROPSKÝ NAVIGAČNÍ SYSTÉM GALILEO ................................................................... - 28 3.1.1 Služby systému Galileo .......................................................................................- 28 3.1.2 Složky systému Galileo........................................................................................- 29 Globální složka ........................................................................................................- 29 -
-6-
Regionální složka.....................................................................................................- 29 Lokální složky..........................................................................................................- 29 3.1.3 Globální složka ...................................................................................................- 30 Vesmírný segment ...................................................................................................- 30 Pozemní segment ....................................................................................................- 30 4 SYSTÉMY PRO VYHLEDÁVÁNÍ VOZIDEL ..............................................................- 32 4.1 SATELITNÍ ................................................................................................................... - 32 4.1.1 Systém pasivní.....................................................................................................- 32 4.1.2 Systém aktivní......................................................................................................- 33 4.1.3 Systém aktivní rozšířený......................................................................................- 33 4.1.4 Výhody systému...................................................................................................- 33 Okamžitá reakce.......................................................................................................- 33 Okamžité zjištění polohy .........................................................................................- 33 Skrytá funkce ...........................................................................................................- 33 4.1.5 Nevýhody systému ...............................................................................................- 34 Nevýhody plynoucí z technologie GPS ...................................................................- 34 Rušení signálu GPS a GSM .....................................................................................- 34 Pasivní zařízení ........................................................................................................- 35 Žádná vlastní pozemní podpora ...............................................................................- 35 4.2 SYSTÉM RÁDIOVÉHO VYHLEDÁVÁNÍ VOZIDEL SHERLOG ............................................. - 35 4.2.1 Pasivní zařízení...................................................................................................- 36 4.2.2 Aktivní zařízení....................................................................................................- 36 4.2.3 Hybridní zařízení ................................................................................................- 37 4.2.4 Kombinace rádiového vyhledávání a GPS/GSM ................................................- 37 5 POROVNÁNÍ SYSTÉMU GPS A SHERLOG................................................................- 37 6 ZÁVĚR .............................................................................................................................- 38 7 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ..............................................................................- 40 8 SEZNAM OBRÁZKŮ......................................................................................................- 41 9 SEZNAM TABULEK ......................................................................................................- 41 -
-7-
1 Funkce systému GPS 1.1 Úvod [1]
Globální polohový systém (Global Positioning System, GPS) je v současné době jediný, plně funkční, satelitní navigační systém. Více než dva tucty GPS družic obíhá na střední oběžné dráze (Medium Earth Orbit, MEO) a vysílá signály které umožňují GPS přijímačům určit jejich polohu, rychlost a směr pohybu. Od té doby, co byla první experimentální GPS družice vypuštěna v roce 1978, se GPS stal nepostradatelným nástrojem pro navigaci po celém světě a také důležitým nástrojem pro tvorbu map a velkým pomocníkem v oblasti zeměměřičství. GPS je navíc velmi přesným referenčním nástrojem při určování času, čehož se využívá při vědeckém zkoumání zemětřesení anebo při synchronizaci telekomunikačních sítí. GPS se stal plně funkčním a dostupným po celém světě 17.ledna 1994, kdy byla poprvé sestava 24 družic kompletní. Systém byl vyvinut Ministerstvem obrany Spojených Států Amerických (United States Department of Defense) a jeho oficiální název je NAVSTAR GPS (NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System). Družicová konstelace je udržována a řízena padesátým "vesmírným" oddílem (letkou) vzdušných sil Spojených Států (50th Space Wing of the United States Air Force). I přesto, že údržba systému stojí ročně přibližně 400 milionů dolarů (včetně nákladů na výměnu přestárlých družic), je GPS pro civilní používání zcela zadarmo. Po technologické a vědecké stránce je GPS pravděpodobně nejdůležitějším praktickým důkazem Einsteinovy obecné teorie relativity. 1.1.1 Historie Konečná podoba systému GPS je částečně odvozena od podobných pozemních radiových navigačních systémů. Jedním z nich je LORAN, který byl vyvinut počátkem čtyřicátých let 20.století a byl používán již během druhé světové války. Další inspirace pro systém GPS přišla v roce 1957, kdy Sovětský Svaz vypustil Sputnik. Tým amerických vědců, vedených Dr. Richardem B. Kershnerem, monitoroval radiové vysílání
-8-
Sputniku. Vědci zjistili, že díky Dopplerově efektu frekvence vysílaného signálu byla vyšší když se Sputnik přibližoval, a naopak nižší, když se vzdaloval. Uvědomili si, že při znalosti jejich přesné polohy na Zemi mohli určit přesnou polohu Sputniku na jeho oběžné dráze (při známých parametrech oběžné dráhy Sputniku) pomocí měření frekvenční změny. První družicový navigační systém Transit, který byl používán námořnictvem Spojených Států, byl poprvé úspěšně otestován v roce 1960. Tento systém využíval pět družic a byl schopen určit polohu jednou za hodinu. V roce 1967 Námořnictvo Spojených Států vyvinulo Družici Timation, která ve svém vybavení jako první nesla do vesmíru přesné hodiny (na přesném určování času je GPS založen). Pozemní navigační systém Omega, založený na porovnávání fází signálu, byl v sedmdesátých letech 20. století prvním celosvětovým radiovým navigačním systémem. První experimentální GPS družice Bloku I (Block-I GPS) byla vypuštěna v únoru roku 1978. GPS družice byly nejdříve vyráběny společností Rockwell International a v současné době je vyrábí společnost Lockheed Martin. 1.1.2 Časový přehled •
V roce 1983, poté co sovětský stíhací letoun sestřelil korejské civilní letadlo KAL 007 v zakázaném sovětském leteckém prostoru a zahynulo všech 269 lidí na palubě, americký prezident Ronald Reagan oznámil, že GPS systém bude po dokončení přístupný i civilnímu použití.
•
V roce 1985 bylo vypuštěno deset dalších experimentálních družic Bloku I.
•
14. února 1989 byla vynesena na oběžnou dráhu moderní družice Bloku II, první svého druhu.
•
V roce 1992 byl zrušen Druhý "Vesmírný" oddíl (2nd Space Wing), který do této doby řídil celý systém, a byl nahrazen Padesátým "Vesmírným" oddílem (50th Space Wing).
•
Do konce roku 1993 se GPS stal funkčním (zajištěn minimální počet družic pro určení polohy kdekoli na Zemi).
•
17. ledna 1994 bylo poprvé na oběžné dráze 24 družic potřebných pro plnou funkčnost systému.
•
V roce 1996 americký prezident Bill Clinton oficiálně uznal důležitost GPS jak pro civilní tak pro armádní sektor a vydal směrnici (policy directive), ve které se
-9-
You are reading a preview. Would you like to access the full-text?
Access full-text
jsou používána vyhledávací vozidla a vyhledávací letadla. Přesnost zaměření je absolutní i v podzemních a krytých prostorách. [10] Vyhledávání na bázi GSM Podpůrná a záložní technologie systému rádiového vyhledávání. Lokalizace je prováděna na základě informací předávaných poskytovatelem sítě GSM. Dosahová přesnost zaměření (100 m až 5 km) je dostatečná pro navedení vyhledávacího vozidla rádiového vyhledávání. Lokalizace na základě GPS Založena na příjmu signálů z nízko letících družic. Na základě těchto signálů přijímač vypočítá svoji vlastní polohu na zemském povrchu. Přesnost zaměření je v ideálních podmínkách desítky metrů. To však neplatí, když je vozidlo umístěno v krytém objektu. V takovém případě přebírají funkce lokalizace systémy na bázi GSM a rádiového vyhledávání. 4.2.1 Pasivní zařízení Samotné zařízení je v autě a nedá se prakticky odhalit, hlavně proto, že není uživatelem nijak ovládáno. Nevýhodou je, že může být aktivováno, až když majitel nahlásí odcizení vozu. Protože 99 % odcizených aut skončí v krytém objektu, kde setrvávají i několik dní, ve většině případů je dostatek času k lokalizaci místa a zadržení vozidla ve spolupráci s policií.
4.2.2 Aktivní zařízení Systém vhodný především pro toho, kdo ponechává vozidlo delší dobu bez dozoru (pravidelné parkování na ulici, atd.). Systém obsahuje speciální řídicí jednotku, která pracuje jako imobilizér a zároveň vyhodnocuje neoprávněný pohyb vozidla. Toto řešení umožňuje identifikovat oprávněného uživatele pomocí speciálního bezkontaktního transponderu ve formě přívěsku ke klíčům nebo ve formě kreditní karty. V případě neautorizovaného pohybu vozidla je vyslán tísňový signál, který vyhodnocuje centrální operační středisko a okamžitě reaguje na vzniklou situaci.
- 36 -
4.2.3 Hybridní zařízení Spojuje v sobě inteligenci předchozího systému a praktickou nezjistitelnost systému pasivního. Dosahuje se tak vlastností, díky nimž se pracovníkům SECAR Bohemia ( Sherlog ) ve spolupráci s Policií ČR daří zadržet kromě odcizeného vozidla i pachatele. Tento systém je nejvíce doporučován do vozů, na jejichž krádeže se specializují organizované skupiny. 4.2.4 Kombinace rádiového vyhledávání a GPS/GSM Na rostoucí poptávku po ochraně aut v zahraničí byl vyvinut satelitní systém GPS/GSM kombinovaný a radiolokační technologií. Výhodou této technologie je působnost po celé Evropě. Protože nelze zabránit snadnému vyrušení systému GPS/GSM, SECAR Bohemia ( Sherlog )- zatím jako jediná v Evropě - kombinuje tuto technologii s rádiovým systémem. Výsledkem je spolehlivý, pro pachatele prakticky nepřekonatelný systém.
5 Porovnání systému GPS a Sherlog Firem, které tyto vyhledávací systémy provozují, je u nás několik. Jak mezi nimi vybírat? Nejdůležitější je, zda zajišťují danou službu komplexně. To znamená, že mají k dispozici i upravená vyhledávací vozidla a leteckou techniku. Jen za těchto podmínek můžou být stejně rychlí jako zloděj. Sto dvacet odcizených vozů v loňském roce, 96ti procentní úspěšnost společnosti SECAR v jejich navrácení majitelům. Vyhledávací akce bývají ukončeny velice brzo - v převážné většině případů do dvou hodin, ale spíše do jedné hodiny. Díky této rychlosti zůstávají auta většinou i nepoškozená. Někdy je totiž neuvěřitelné, jak potvrzují i v SECAR Bohemia, s jakou rychlostí jsou zloději schopni vozidla znehodnotit. Doslova je rozřezat, aby se dostali k atraktivním náhradním dílům, které jsou na černém trhu velmi žádané. [10] Je to i prevence proti pokusům dostat auto za hranice, kde na ně čekají různí překupníci. Zájem mají v Bělorusku, na Ukrajině a v balkánských zemích. [10]
- 37 -
V současné době má společnost SECAR Bohemia přes dvacet tisíc klientů. V oboru patřím mezi největší v Evropě. Ještě donedávna její systémy pořizovali majitelé vozidel v cenách jednoho a více miliónů korun. V poslední době se však spektrum zájmu rozšiřuje i směrem dolů - k vlastníkům aut od 400 000 korun. A přibývá jich dost také z řad majitelů octavií i fabií. Jejich pádným důvodem pro taková rozhodnutí je právě skutečnost, že v případě krádeže dostanou své auto rychle zpět a nepoškozené. Nebo bude odcizení bezprostředně zabráněno, Na našem trhu jsou ještě další firmy, které se zabývají rádiovým a satelitním vyhledáváním odcizených vozidel. Jsou to např. Altea Czech (Praha), Duel Service Europe (Kamenice u Prahy), Autoawacs Bohemia (Pardubice) a nejnověji i firma MARBO CZ. Ta ve spolupráci s Alteou pod značkou DEFEND uvádí systém, v němž se propojuje mechanické a satelitní zabezpečení vozů. Ve většině případů uvedené firmy spolupracují výhradně s policií pouze nahlášením odcizeného vozidla. [10]
6 Závěr Loni odcizili zloději v Česku přes 24 000 aut. Objasněnost těchto krádeží byla pouze sedmnáctiprocentní. I když proti krádežím aut existují různé mechanické systémy jako blokování řadicí páky, pískování skel či alarmy a imobilizéry, velkou jistotu, že se majitel v případě odcizení setká se svým vozem, nedávají. Jinak to může být, rozhodne-li se vlastník zabezpečit automobil radiovým a satelitním systémem. Je to dražší, ale naděje na nalezení ukradeného vozu je skoro stoprocentní. Proto na tyto systémy dávají pojišťovny výraznější slevy z pojistného. Celkově by se výhody systému zabezpečení vozidel s pomocí technologie GPS/GSM s ohledem na to, co jsem popsal vvýše, daly shrnout do následujících bodů : Výhody systému •
Okamžitá reakce
•
Okamžité zjištění polohy
•
Skrytá funkce
Nevýhody systému •
Nevýhody plynoucí z technologie GPS
•
Rušení signálu GPS a GSM - 38 -
•
Pasivní zařízení
•
Žádná vlastní pozemní podpora
U radiolokační technologie jsou všechny výhody stejné a nevýhody nám odpadají, až na nevýhodu plynoucí z pasivního systému, která je způsobena zapojením lidského faktoru do systému. To jsou všechno argumenty hovořící jednoznačně pro radiolokační systém nejlépe ještě kombinovaný s GPS/GSM technologií, to u nás nabízí pouze společnost Secar Bohemia v podobě produktu Sherlog Neo Satelite a ještě je zde možnost rozšíření systému o elektronickou knihu jízd Sherlog Trace. Všechno samozřejmě závisí na našich finančních možnostech a na ceně vozidla, ale pokud chceme mít jistotu, že nám vozidlo nebude odcizeno, je tento systém to nejlepší, co v dnešní době existuje na našem trhu a i v Evropě.
- 39 -
7 Seznam použité literatury [1]
Galileo v České republice / Americký družicový navigační systém NAVSTAR GPS [online] 2008. Dostupné z : < http://www.czechspace.cz/cs/galileo/aktualityGPS-Glonass/GPS >
[2]
Wikipedia.org / Global Positioning System [online] 2008. Dostupné z : < http://cs.wikipedia.org/wiki/GPS >
[3]
Galileo v České republice / Aplikace v silniční dopravě, Martin Šunkevič [online] 2008. Dostupné z : < http://www.czechspace.cz/galileo/aplikace/silnicni >
[4]
Wikipedia.org / Rádiové signály GPS [online] 2008. Dostupné z : < http://cs.wikipedia.org/wiki/R%C3%A1diov%C3%A9_sign%C3%A1ly_GPS >
[5]
GPS navigace na FPGA / Diplomová práce [online] 2008. Dostupné z : < https://dip.felk.cvut.cz/browse/pdfcache/ukot1_2008dipl.pdf >
[6]
GPS guides for newbies / Fórum [online] 2008. Dostupné z : < http://www.kemenonline.com/forum2/viewtopic.php?p=63&sid=d90f956a06bd 8f93b65b21cb8928e6c1 >
[7]
Kosmický segment GPS a jeho budoucnost, Jiří Kvapil [online] 2005. Dostupné z : < http://www.aldebaran.cz/bulletin/2005_02_gps.php >
[8]
Galileo v České republice / Služby systému Galileo, Martin Šunkevič [online] 2008. Dostupné z : < http://www.czechspace.cz/cs/galileo/technologie/sluzby >
[9]
Autolocator.cz / Jak systém funguje [online] 2008. Dostupné z : < http://www.autolocator.cz/funkce_zabezpeceni.php >
[10]
Reklamní a Servisní materiály / Secar Bohemia ( Sherlog ) 2008
[11]
Rušička GSM / Katalog [online] 2008. Dostupné z : < http://www.detekce.com/rusicka_GSM_mobilnich_telefonu_odposlech.htm >
[12]
Černý,J., Steiner,I.: GPS od A do Z. Ben 2006, ISBN 80-239-7516-1
[13]
Rapant,P.: Družicové polohové systémy, TU Ostrava, 2002
- 40 -
[14]
Hrdina,Z., Pánek,P., Vejražka,F.: Družicový systém GPS, ČVUT Praha, 1995
8 Seznam obrázků Obrázek 1) Obrázek 2) Obrázek 3)
Modulace signálu …………………………………...…………….……15 Fázová modulace na nosnou vlnu metodou BPSK … ………….. … ...15 Ukázka modelu ionosférické refrakce ………………………..………..21
Obrázek 4)
Rozmístšní satelitů na oběžné dráze …………………………………...22
9 Seznam tabulek Tabulka 1) Tabulka 2) Tabulka 3)
Počet družic …………………………………………..…………………9 Vliv chyb na pozici …………………………………..………….……..19 Dílčí parametry RMS …………………………………………………..20
- 41 -
