ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας

Διάλεξη 13

Ασύρματη και Δορυφορική Μετάδοση Πληροφορίας

TΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

Περίληψη

Θέματα για σήμερα:• Επικοινωνία με ραδιοκύματα • Δορυφορική Επικοινωνία• Εφαρμογή GPS

Υλικό Αναφοράς

• Cyganski, D., Orr, A. O., and Vaz, R. F., Information Technology Inside and Outside, Prentice Hall, 2001• Κεφ. 16, σελίδες 226-235

• ΕGNOS - Τα πρώτα βήματα για το ευρωπαϊκό δορυφορικό σύστημα παγκόσμιας πλοήγησης Galileo  http://www.ekt.gr/cordis/news/eu/2001/01-04-24.htm

• How GPS Receivers Workhttp://electronics.howstuffworks.com/gps.htm

• GPS http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html

Ασύρματη Επικοινωνία

Χρησιμοποιεί ραδιοκύματα και μικροκύματα. • Κατηγορία ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων με

μεγάλο εύρος φάσματος• Εκπέμπονται από κεραία εκπομπής, και

συλλέγονται από κεραία λήψης (η οποία μπορεί να μην βρίσκεται σε οπτική επαφή με τη κεραία εκπομπής)

• Διανύουν εκατοντάδες χιλιόμετρα- Είναι ευαίσθητα σε παρεμβολές

Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα

• Το μήκος κύματος, (wavelength) λ, είναι η απόσταση που διανύει το κύμα σε χρόνο μιας περιόδου μέσα στο μέσο μετάδοσης

• f είναι η συχνότητα του κύματος• λ= c / f

• c είναι η ταχύτητα μετάδοσης του κύματος • Για ηλεκτρομαγνητικά κύματα c = 3 x 108 m/s στο κενό

• Κύμα χαμηλής συχνότητας έχει μεγάλο μήκος και μπορεί να διαπεράσει κτίρια• Τα μέρη του φάσματος που χρησιμοποιούνται για ασύρματη μετάδοση

πληροφοριών είναι: • Ράδιο, Μικροκύματα, Υπέρυθρες και Υπεριώδεις ακτίνες.

Συχνότητες Ασύρματης Επικοινωνίας

• Η ασύρματη τηλεφωνία χρησιμοποιεί ραδιοκύματα και μικροκύματα σε συχνότητες

• 40 – 50 MHz, 900 MHz, 1900 MHz • Η δορυφορική επικοινωνία χρησιμοποιεί ραδιοκύματα και μικροκύματα

σε συχνότητες • 1,6 GHz και 20 - 30 GHz• Εφαρμογή GPS χρησιμοποιεί τη συχνότητα1575 MHz

• Τα υπέρυθρα κύματα χρησιμοποιούνται για επικοινωνία μικρής ακτίνας.

• π.χ. στο τηλεχειριστήριο της τηλεόρασης• Υπάρχουν οργανισμοί που αποφασίζουν ποιος θα χρησιμοποιήσει

ποιες συχνότητες• στην Αμερική είναι η FCC (Federal Communications Commission)• παγκοσμίως η ITU-R.

> 400 MHz

ΜικροκύματαΡαδιοκύματα

Μετάδοση με ραδιοκύματα

• Τα ραδιοκύματα παράγονται εύκολα, μπορούν να ταξιδέψουν σε όλες τις κατευθύνσεις και σε μεγάλες αποστάσεις, και μπορούν να διαπερνούν τα κτίρια εύκολα.

=> ο πομπός και ο δέκτης δεν χρειάζεται να είναι πολύ προσεκτικά τοποθετημένοι προς κάποια κατεύθυνση.

• Στις χαμηλές συχνότητες διαπερνούν τα εμπόδια, αλλά εξασθενούν γρήγορα ανάλογα με την απόσταση.

• Στις υψηλές συχνότητες κινούνται σε ευθείες γραμμές (line-of-sight) και όταν συναντήσουν εμπόδιο χτυπούν πάνω του και αλλάζουν κατεύθυνση (δεν το διαπερνούν). Επίσης απορροφούνται απ’ τη βροχή και δέχονται παρεμβολές από μηχανές και ηλεκτρικό εξοπλισμό.

• Τα ραδιοκύματα συχνοτήτων VLF, LF και (μέρος των) MF ακολουθούν το έδαφος. • Ενώ σε συχνότητες HF και (μέρος των) VHF τα ραδιοκύματα εδάφους απορροφούνται

από τη γη ενώ αυτά που φτάνουν στην ιονόσφαιρα ανακλώνται από αυτή και στέλνονται πάλι στη γη.

ιονόσφαιρα

Επικοινωνία με Ραδιοκύματα

Βασικά στοιχεία συστημάτων επικοινωνίας με ραδιοκύματα• Ισχύς πομπού (μετάδοσης)

• Κινητός πομπός (μέγεθος μπαταρίας, υγεία χρήστη)• Πομπός σταθμού βάσης

• Συχνότητα πομπού (μετάδοσης)• Καθορίζει πως μεταδίδεται το σήμα

• Ευαισθησία και ακρίβεια δέκτη• Καθορίζει την απαραίτητη ισχύ για την αναπαραγωγή του σήματος

(σχετίζεται με το εύρος ζώνης του σήματος που θέλουμε να στείλουμε)

• Επιθυμητό εύρος ζώνης και ρυθμός μετάδοσης• Περιορισμοί στο μέγεθος και την τοποθεσία της κεραίας

• Για αποτελεσματική λειτουργία το μήκος της κεραίας είναι ¼ του μήκους κύματος του σήματος που μεταδίδεται (λ = c / f )

• Επιθυμητή απόσταση μετάδοσης• Εξυπηρετεί την συγκεκριμένη εφαρμογή

Δορυφορική Επικοινωνία

• Επικοινωνία μεταξύ επίγειων σταθμών και δορυφόρων που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από την γη

• Οι επίγειοι σταθμοί χρησιμοποιούν μεγάλες δισκοειδή ή παραβολικές κεραίες για να επικοινωνούν με τους δορυφόρου

• Οι δορυφόροι βρίσκονται σε οπτική επαφή με τους επίγειους σταθμούς εκπομπής από τους οποίους λαμβάνουν σήματα

• Οι δορυφόροι ενισχύουν τα σήματα και τα μεταδίδουν πίσω στην γη με την δισκοειδής κεραία τους

Δορυφόροι

• Οι τηλεπικοινωνιακοί δορυφόροι είναι εξειδικευμένες συσκευές που λειτουργούν σαν πομποί και σαν δέκτες, και τοποθετούνται σε κάποιου είδους τροχιά γύρω από τη γη.

• Οι δορυφόροι τοποθετούνται σε τροχιά και κινούνται με την βοήθεια προωθητικών πυραύλων.

Τροχιά Δορυφόρου

Η τροχιά καθορίζει την θέση του δορυφόρου σε σχέση με την γη πόσοι επίγειοι σταθμοί βλέπουν τον δορυφόρο την ίδια ώρα σε μεγάλο ύψος πιο σταθερή θέση αλλά μεγαλύτερη

καθυστέρησηΕίδη τροχιών Γεωστατική (ύψος 35.786 km, 24 ώρες για μία τροχιά) Πολική Ισημερινή Συγχρονισμένη με τον ήλιο Ελλειπτική

Δορυφορική Επικοινωνία

• Τα δεδομένα που εκπέμπονται από κάποιο επίγειο σταθμό, λαμβάνονται από το δέκτη του δορυφόρου ο οποίος ενισχύει το σήμα και το εκπέμπει (πομπός) σε κάποιο άλλο σταθμό της γης.

• Ο δορυφόρος δρα ως αναμεταδότης

Ιστορική αναδρομή

Ο πρώτος δορυφόρος ήταν ο Sputnik I και είχε μέγεθος μπάλας ποδοσφαίρου. Εκτοξεύτηκε από τη Σοβιετική Ένωση στη δεκαετία του ’50 (4ης Οκτωβρίου 1957).

1958, με το πείραμα SCORE (Signal Communication by Orbiting Relay Equipment) η Αμερική στέλλει στο διάστημα τον πρώτο τηλεπικοινωνιακό δορυφόρο από τον οποίο λήφθηκε το πρώτο μήνυμα φωνής.

1962, εκτοξεύθηκε στο διάστημα ο Telstar I από την εταιρεία AT&T (American Telephone & Telegraph Company ) ο πρώτος δορυφόρος που μετέδιδε τηλεοπτικά προγράμματα μεταξύ Η.Π.Α – Ευρώπης.

1963, τίθεται σε τροχιά ο πρώτος σύγχρονος δορυφόρος ο Syncom ll αρχή επικοινωνιακής επανάστασης (πρώτος γεωστατικός δορυφόρος).

1965, κατασκευάζεται ο πρώτος εμπορικός τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος, ο Early Bird (Intelsat I).

1967, τίθεται σε τροχιά ο Intelsat llB, ο πρώτος από μία σειρά δορυφόρων σε στάσιμη τροχιά που μεταδίδουν δεδομένα, τηλεοπτικά προγράμματα και ήχο.

Το 1972 στέλλει ο Καναδάς τον δορυφόρο Anik 1 στο διάστημα. 1974, εκτοξεύεται ο ATS-6 που μεταδίδει ήχο και εικόνα σε απομονωμένες

περιοχές. Ο πρώτος εκπαιδευτικός δορυφόρος. 1976, τίθεται σε τροχιά ο Comstar 1A, ένας σύγχρονος δορυφόρος που

είναι μέρος του παγκόσμιου τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Το 1977 η Ιαπωνία εκτοξεύει στο διάστημα τον πρώτο της

τηλεπικοινωνιακό δορυφόρο, τον CS.

• 2003, Μεταφέρθηκε στο διάστημα από τον πύραυλο Atlas 5 ο πρώτος δορυφόρος Ελλάδας – Κύπρου, ο Hellas-Sat

• Προσφέρει πλοήγηση στο διαδίκτυο και μετάδοση ήχου και ψηφιακής τηλεόρασης.

• Αναμένεται ότι θα έχει διάρκεια ζωής 15 χρόνων και έχει προσφέρει κάλυψη στους Ολυμπιακούς αγώνες του 2004.

Δορυφόρος Hellas-Sat

Πλεονεκτήματα δορυφορικής επικοινωνίας

Το κόστος της επικοινωνίας είναι ανεξάρτητο της απόστασης των τελικών σημείων.

Χρήσιμη για επικοινωνία σε απομακρυσμένες περιοχές ή περιοχές που αντιμετωπίζουν κάποια έκτακτη κατάσταση.

Δυνατότητα ταυτόχρονης εκπομπής σε πολλαπλά σημεία.

Μεγάλο εύρος συχνοτήτων που εξασφαλίζει και μεγάλες ταχύτητες επικοινωνίας.

Μειονεκτήματα δορυφορικής επικοινωνίας

Υψηλή καθυστέρηση διάδοσης του σήματος που οφείλεται στην μεγάλη απόσταση που πρέπει να διανύσει το σήμα. Στις περιπτώσεις που χρησιμοποιούνται περισσότεροι από ένας δορυφόροι, η καθυστέρηση διάδοσης μεταξύ επίγειου πομπού και δέκτη αυξάνεται.

Το σήμα μπορεί να επηρεαστεί από την κατάσταση της ατμόσφαιρας της γης.

Χρήσεις δορυφόρων

Μετεωρολογία Επιστήμη Αστρονομία Στρατιωτικούς σκοπούς Τηλεπικοινωνίες Δορυφορική τηλεόραση Δορυφορικό σύστημα

εντοπισμού (Global Positioning System – GPS)

Τηλεπικοινωνιακοί Δορυφόροι

• Η χρήση τους επιτρέπει την εύκολη και άμεση επικοινωνία μεταξύ απομακρυσμένων περιοχών της γης

• Εξασφαλίζουν την οπτική επαφή που απαιτείται για την αναμετάδοση των ραδιοκυμάτων που χρησιμοποιούνται στις τηλεπικοινωνίες.

• Κινούνται σε απόσταση χιλιάδων χιλιομέτρων (35.786 km) από τη γη και "βλέπουν" πολύ μεγάλες περιοχές.

• Ο καλών συνδέεται με τον επίγειο σταθμό που τον εξυπηρετεί. Ο επίγειος σταθμός "φαίνεται" από δορυφόρο στον οποίο στέλνει το σήμα. Αυτός αναμεταδίδει σε άλλο δορυφόρο, ο οποίος "βλέπει" τον επίγειο σταθμό που εξυπηρετεί τον καλούμενο και του μεταδίδει το σήμα.

• Τρεις γεωστατικοί δορυφόροι σε Ισημερινή τροχιά είναι δυνατόν να καλύψουν (σχεδόν) το σύνολο της γήινης επιφάνειας.

• Σύγχρονοι δορυφόροι μπορούν να διαχειρισθούν περισσότερες από 33.000 τηλεφωνικές κλήσεις και πολλά τηλεοπτικά κανάλια ταυτόχρονα.

Δορυφορικό σύστημα εντοπισμού GPS

• Υπολογίζει την τοποθεσία του GPS δέκτη (χρήστη) οπουδήποτε πάνω στην γη ή από πάνω από την γη:

• γεωγραφικό πλάτος (latitude),• γεωγραφικό μήκος (longitude)• και υψόμετρο (elevation) από την

επιφάνεια της γης

• Χρησιμοποιεί πολλές τεχνολογίες

• Δορυφορική επικοινωνία• Ηλεκτρονικούς υπολογιστές• Δέκτες μικροκυμάτων ακρίβειας• Βάσεις δεδομένων με

γεωγραφικές λεπτομέρειες• Ατομικά ρολόγια ψηλής

ακρίβειας • Αναπτύχθηκε από το

Υπουργείο Άμυνας των ΗΠΑ το 1978.

GPS

• Ο υπολογισμός της τοποθεσίας ενός χρήστη βασίζεται στην μέθοδο “triangulation” (τριγωνισμός) ή “trilateration” που χρησιμοποιεί την απόσταση του χρήστη από 4 δορυφόρους

• Η απόσταση από ένα δορυφόρο υπολογίζεται από την χρονική μετάδοση του σήματος και την ταχύτητα του φωτός

• Δισδιάστατο παράδειγμα μεθόδου για την τοποθεσία ενός δέκτη στις ΗΠΑ• Boise, Minneapolis, Tucson και Denver είναι πόλεις στις ΗΠΑ

625 μίλια από την 690 μίλια από την 615 μίλια από την

Τρόπος λειτουργίας GPS

Τρόπος λειτουργίας

Τρόπος λειτουργίας

Σύστημα GPS

• Διαστημικό μέρος

• Σύστημα χρήστη

• Σύστημα ελέγχου

Διαστημικό Τμήμα

• 24 δορυφόροι (+ 3 εφεδρικοί)• 6 τροχιές• 4 δορυφόροι σε κάθε τροχιά• 11.000 ναυτικά μίλια (20.200

Km) πάνω από τη Γη• 12 ώρες για κάθε τροχιά• Κάθε δορυφόρος εκπέμπει

σε συχνότητα 1.575 MHz τα ακόλουθα στοιχεία:• Τον αριθμό ταυτότητας του• Την τοποθεσία του • Την ώρα• Πληροφορίες σχετικά με την

κατάσταση του

Σύστημα Χρήστη

• Αποτελείται από τους δέκτες (receivers) GPS

• Με τους δέκτες μπορούμε να πάρουμε άμεσα το στίγμα μας. Δηλαδή το πού ακριβώς βρισκόμαστε στο πλανήτη.• Φορητοί δέκτες • Ρολόγια• Ταμπλό οχημάτων, κλπ.

Σύστημα Ελέγχου

• 4 επίγειοι σταθμοί ελέγχου σε όλο το κόσμο.• κάνουν μετρήσεις από τους δορυφόρους τις οποίες χρησιμοποιούν για να

υπολογίσουν με ακρίβεια το σωστό ετήσιο αστρονομικό ημερολόγιο (ephemeris – δηλ. τα ακριβή στοιχεία τροχιάς) και την ώρα του ρολογιού του κάθε δορυφόρου

• 1 κεντρικός επίγειος σταθμός• Μεταδίδει τα δεδομένα του ρολογιού και του ημερολογίου στον κάθε

δορυφόρο (ο οποίος τα μεταδίδει στους GPS δέκτες)

Χρήσεις

• Τοποθεσία• Σε γεωργικές εφαρμογές• Σε οικοδομές• Για ορειβασία, κυνήγι, κλπ.

Χρήσεις

• Πλοήγηση• Με γνώση θέσης μέσω GPS και χρήση χαρτών γίνεται

υπολογισμός πορείας • Χρήση στα αεροπλάνα, πλοία, και αυτοκίνητα

Χρήσεις

• Υπηρεσίες άμεσης επέμβασης

Χρήσεις

• Συγχρονισμός

GPS στα κινητά

• Το 1999 παρουσιάστηκε το πρώτο κινητό τηλέφωνο GSM με ενσωματωμένο GPS και σύστημα χαρτογράφησης

• Το ESC! είναι ουσιαστικά ένα φορητό εργαλείο "επιβίωσης" που ενσωματώνει ένα εξελιγμένο dual band τηλέφωνο, ένα δορυφορικό σύστημα εντοπισμού θέσεως GPS και λεπτομερείς ηλεκτρονικούς χάρτες.

• Παρά τις εκπληκτικές του δυνατότητες, το ESC! παραμένει μικρό σε μέγεθος (129 x 49 x 23 χιλιοστά), ενώ ζυγίζει περίπου 150 γραμμάρια.

• Ο χρήστης μπορεί να μετακινείτε από περιοχή σε περιοχή, ανεξαρτήτως από τον τρόπο μεταφοράς (ορειβασία, ποδηλασία, αναρρίχηση, κωπηλασία κτλ.).

Το σύστημα Galileo 

• Θα είναι το ολοκληρωμένο ευρωπαϊκό δορυφορικό σύστημα παγκόσμιας πλοήγησης το οποίο θα αποτελείται από 30 δορυφόρους οι οποίοι θα παρέχουν, με αξιοπιστία και ακρίβεια, υπηρεσίες δορυφορικής πλοήγησης από το 2013.

• Το Galileo είναι η συνεισφορά της Ευρώπης στην ανάπτυξη του Παγκόσμιου Δορυφορικού Συστήματος Εντοπισμού Θέσης και Πλοήγησης (Global positioning and Navigation Satellite System, GNSS).

• Το GNSS θα βελτιώσει τα σημερινά συστήματα εντοπισμού θέσης, για τις σύγχρονες απαιτήσεις της αεροναυτιλίας

• Για την υλοποίηση του συστήματος Galileo συνεργάζονται η Ευρωπαϊκή Επιτροπή και η Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος (ESA). Η συνολική επένδυση για το Galileo ανέρχεται σε 3,2 δισ. ευρώ. 

Το σύστημα Galileo

• Το Galileo θα έχει εφαρμογή σε μια σειρά καθημερινών καταστάσεων. Χάρη στην προηγμένη τεχνολογία που θα χρησιμοποιεί, ο καθένας θα είναι σε θέση να γνωρίζει τη γεωγραφική του θέση σε αυτοκινητοδρόμους, σε αεροπλάνα και σε πλοία.

• Τo Galileo αναμένεται να αλλάξει τη διαχείριση της εναέριας κυκλοφορίας και να βελτιώσει την ποιότητα και την ασφάλεια των μεταφορών σε περιοχές του πλανήτη όπου τα υπάρχοντα συστήματα είναι ανεπαρκή. Ως αποτέλεσμα, θα μειωθούν οι καθυστερήσεις στις πτήσεις των αεροσκαφών. 

• Το σύστημα Galileo αναμένεται να λειτουργήσει επιχειρησιακά το 2008, όταν και οι 30 δορυφόροι του συστήματος θα έχουν τεθεί σε τροχιά 24.000 χλμ. γύρω από τη Γη.

• Περίπου 14 επίγειοι σταθμοί σε όλο τον κόσμο θα παρακολουθούν τις θέσεις και τη λειτουργία των δορυφόρων. Οι σταθμοί θα είναι συνδεδεμένοι με τις κεντρικές εγκαταστάσεις στην Ευρώπη, μέσω ενός ειδικού τηλεπικοινωνιακού δικτύου.

• Το Galileo θα βελτιώσει την κάλυψη σε υψηλότερα πλάτη, και ειδικότερα στη Βόρεια Ευρώπη, η οποία δεν καλύπτεται επαρκώς από το GPS. 

Στην συνέχεια…

• Μέθοδοι αποθήκευσης πληροφορίας