UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA GRADBENIŠTVO

Branko Jurič

POJAV NAPAK PRI SLEDENJU VOZIL Z INTEGRACIJO GPS/GPRS TEHNOLOGIJE IN

INS SISTEMOM Diplomsko delo

Maribor, avgust 2011

I

Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa

POJAV NAPAK PRI SLEDENJU VOZIL Z INTEGRACIJO GPS/GPRS

TEHNOLOGIJE IN INS SISTEMOM

Študent: Branko JURIČ

Študijski program: univerzitetni, Promet

Smer: Cestni promet

Mentor: doc. dr. Marjan LEP

Lektor(ica): Melita VEŠNER prof. slov.

Maribor, avgust 2011

II

III

IV

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Marjanu Lepu

za vso pomoč in strokovno vodenje pri

opravljanju diplomskega dela. Prav tako se

zahvaljujem nekdanjim sodelavcem podjetja

Telargo d.o.o. in vsem ostalim, ki so kakorkoli

pomagali pri nastanku te diplomske naloge.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi

omogočili študij in mi ves čas stali ob strani.

Meliti in Lukcu pa se zahvaljujem za vso

podporo in motivacijo med izdelavo tega dela in

inspiracijo za naprej.

V

POJAV NAPAK PRI SLEDENJU VOZIL Z INTEGRACIJO

GPS/GPRS TEHNOLOGIJE IN INS SISTEMOM

Ključne besede: sledenje vozil, GPS, GPRS, inercialni navigacijski sistemi, MEMS senzorji, napake pri sledenju vozil, satelitski sledilni sistem. UDK:

Povzetek

Diplomsko delo obravnava področje uporabe navigacijske tehnologije v cestnem

prometu na primeru sledenja vozil. Na kratko opisuje razvoj globalnega navigacijskega

satelitskega sistema in strukturo GPS sistema, ki se uporablja danes. Poudarek

diplomskega dela je na integraciji GPS tehnologije z inercialnim navigacijskim

sistemom za izboljšanje natančnosti pozicioniranja vozila. Raznolikost in uporaba

MEMS inercialne navigacijske tehnologije, kot nadomestek GPS tehnologije v okolju

šibkega navigacijskega signala ali ob kratkotrajni popolni prekinitvi signala, je

dandanes obvezna in prisotna v vseh napravah za sledenje ter natančno pozicioniranje

vozila. Delo vsebuje primer uporabe strojne in programske opreme za sledenje vozil

podjetja Telargo d.o.o. in model upravljana voznega parka ter podaja smernice razvoja

tehnologije za prihodnost.

VI

VEHICLE TRACKING ERRORS IN INTEGRATED GPS/GPRS

TECHNOLOGY AND INS SYSTEM

Key words: vehicle tracking, GPS, GPRS, inertial navigation system, MEMS sensors, errors in vehicle tracking, satellite tracking system.

UDK:

Abstract

The diploma thesis presents the field of the usage of navigation technology in land

vehicle navigation system in case of vehicle tracking. Briefly describes the development

of global navigation satellite system and the structure of the GPS system used today.

The focus is on the integration of GPS technology with the inertial navigation system to

improve the positioning accuracy of the vehicle. Diversity and the use of MEMS inertial

navigation technology, as a substitute to GPS technology in weak signal environments

and also during short GPS signal outages is now mandatory and is present in all

devices designed for land vehicle tracking and precise positioning. The work contains

an example of hardware and software manufactured by Telargo Ltd. Company for the

purpose of vehicle tracking and fleet management and provides guidelines for future

technology development.

VII

VSEBINA

1  UVOD ...................................................................................................................... 1 

1.1  NAMEN IN CILJ .............................................................................................. 2 

1.2  PREGLED POSAMEZNIH POGLAVIJ .......................................................... 2 

2  SATELITSKI NAVIGACIJSKI SISTEMI .......................................................... 5 

2.1  GPS SATELITSKI NAVIGACIJSKI SISTEM ............................................................. 5 

2.1.1  GPS Block I satelitski navigacijski sistem .................................................... 7 

2.1.2  GPS Block II/IIA ........................................................................................... 7 

2.1.3  GPS Block IIR/IIR-M/IIF.............................................................................. 7 

2.2  GALILEO SATELITSKI NAVIGACIJSKI SISTEM ................................................... 8 

2.3  DOLOČANJE POLOŽAJA S SATELITSKIM NAVIGACIJSKIM SISTEMOM ................... 9 

2.4  TEHNOLOGIJA POZICIONIRANJA S POMOČJO NAVIGACIJSKIH SATELITOV .......... 15 

2.5  ZGRADBA PODATKOVNEGA SIGNALA ............................................................... 16 

2.5.1  Navidezno naključni kodi C/A in P ............................................................. 19 

2.5.2  Navigacijsko sporočilo ............................................................................... 20 

2.6  NASTANEK IN VRSTA NAPAK PRI SATELITSKEM POZICIONIRANJU ..................... 21 

2.6.1  Geometrija satelitov in krožnih orbit ......................................................... 22 

2.6.2  Efekt razpotij ali odboj podatkovnih signalov ............................................ 23 

2.6.3  Atmosferski efekt na natančnost ................................................................. 24 

2.6.4  Usklajevanje ur in zaokroževanje napak .................................................... 27 

2.6.5  Napake merjenja atomskih ur zaradi gravitacijskih sil .............................. 27 

2.7  REFERENČNE NAVIGACIJSKE POSTAJE NA OZEMLJU SLOVENIJE ....................... 29 

3  MOBILNO OMREŽJE GSM IN TEHNOLOGIJA GPRS .............................. 31 

3.1  RAZVOJ SISTEMA GSM .................................................................................... 31 

3.2  DELOVANJE SISTEMA IN TEHNOLOGIJA GSM MOBILNE TELEKOMUNIKACIJE ... 32 

3.3  NADGRADNJA MOBILNEGA OMREŽJA S GPRS TEHNOLOGIJO ........................... 35 

4  NAČIN DOLOČANJA POLOŽAJA VOZILA ................................................. 37 

4.1  SLEDENJE VOZILA NA OZEMLJU REPUBLIKE SLOVENIJE................................... 38 

4.2  VGRAJENA STROJNA OPREMA ZA SLEDENJE VOZILA ........................................ 39 

VIII

4.2.1  Mobilna enota in njene naloge ter funkcije ................................................ 40 

4.2.2  Uporabniški terminal v kabini vozila ......................................................... 42 

4.2.3  Podatkovna OBD-II in CAN povezava z vozilom ....................................... 43 

4.2.4  GPS/GSM antena ........................................................................................ 44 

4.2.5  Senzorji in druge zunanje naprave ............................................................. 44 

4.3  NADZORNO KONTROLNI CENTER ..................................................................... 45 

5  POJAV NAPAK PRI SLEDENJU VOZIL ........................................................ 47 

5.1  IZVOR NAPAK PRI SLEDENJU ............................................................................ 47 

5.2  NADGRADNJA SISTEMA ZA NATANČNO POZICIONIRANJE Z INS ........................ 50 

5.2.1  Mikro Elektro-Mehanski Senzor (MEMS) .................................................. 51 

5.2.2  Navigacija na slepo ali Dead Reckoning ................................................... 54 

5.2.3  Kalmanov filter ........................................................................................... 54 

5.3  INTEGRACIJA GPS IN INS SISTEMA ................................................................. 57 

5.4  REZULTAT INTEGRIRANEGA GPS/INS SISTEMA ............................................... 60 

6  SKLEP ................................................................................................................... 63 

7  VIRI, LITERATURA ........................................................................................... 65 

8  PRILOGE .............................................................................................................. 71 

8.1  SEZNAM SLIK .............................................................................................. 71 

8.2  SEZNAM PREGLEDNIC .............................................................................. 72 

8.3  NASLOV ŠTUDENTA .................................................................................. 72 

8.4  KRATEK ŽIVLJENJEPIS ............................................................................. 73 

IX

UPORABLJENI SIMBOLI

nbC - transformacijska matrika

ba - pospešek

b - napaka izhodne enote

r k - prevožena razdalja

s - izmerjena hitrost

k - smer sistema

λ - faktor merila

ḡ - težnostni vektor

ωe - rotacija Zemlje

ω - kotna hitrost

dt - časovni interval

X

UPORABLJENE KRATICE

BSC - Base Station Controller

BTS - Base Transceiver Station

CAN - Controller-Area Network

DR - Dead Reckoning

EDGE - Enhanced Data rates for Global Evolution

EGNOS - European Geostationary Navigation Overlay Service

ESA - European Space Agency

EUREF - Eropean Reference Frame

FDMA - Frequency Division Multiple Access

GMSC - Gateway Mobile Switching Centre

GNSS - Global Navigation Satellite System

GPS - Global Positioning System

GPRS - General Packet Radio Service

GSM - Groupe Spécial Mobile

HLR - Home Location Register

HOW - Hand Over Word

HSCSD - High-Speed Circuit-Switched Data

IMU - Inertial Measurement Unit

INS - Inertial Navigation System

ISDN - Integrated Services over Digital Network

KF - Kalman Filter

MEMS - MicroElectroMechanical System

MSC - Mobile Switching Centre

XI

OBD - On-Board Diagnostics

PPS - Precision Positioning Code

PRN - PseudoRandom Noise

RFID - Radio Frequency IDentification

SIGNAL - Slovenija Geodezija Navigacija Lokacija

SIM - Subscriber Identity Modul

SMD - Surface-Mount Device

SMS - Short Message Service

SPS - Standard Positioning Code

TDMA - Time Division Multiple Access

UMTS - Universal Mobile Telecommunications System

UTC - Coordinated Universal Time

VLR - Visitor Location Register

WAAS - Wide Area Augmentation System

Stran 1

1 UVOD

Razvoj na področju satelitskega sledenja vozil in navigacije v zadnjih petnajstih letih je na

splošno pripomogel k temu, da se lahko sedaj odpravimo kamor koli na pot brez odvečnih

zemljevidov in natisnjenih navodil poteka poti do izbranega cilja. Čase, ko smo pred potjo

povpraševali svoje znance in prijatelje za natančna navodila, kje in kam moramo zaviti, in

si zapisovali imena krajev ter ulic na list papirja, je sedaj nadomestila navigacija. Ta je

zaradi nizkih cen postala dostopna širšemu krogu ljudi, ki jo lahko sedaj s primerno

programsko opremo naložijo tudi v sam mobilni telefon. Prav tako se je zaradi cenovno

ugodne in tehnološko nezahtevne podlage marsikaj spremenilo na področju upravljanja

voznih parkov, organiziranja prevozov in vseh logističnih procesov v podjetjih. Tako so se

z vgradnjo navigacijskih naprav v službena vozila skrajšali časi prevozov in znatno

zmanjšali stroški povezani s prevozom produktov in ljudi. Podjetjem je vpeljava takšne

informacijske tehnologije v njihov razvoj pomagala pri optimiziranju prevoznih parkov v

smislu znižanja oziroma odpravi odvečnih stroškov, ki so nastajali predvsem zaradi

prevelike porabe goriva, časovno daljših poti in efektivno neizkoriščenih manipulacijskih

postopkov. Tehnologija satelitskega pozicioniranja se je dotaknila tudi javnega prometa.

Zaradi uvedbe navigacijske tehnologije v javnem potniškem cestnem in železniškem

prometu se lahko potnik na kraju samem informira o trenutni lokaciji avtobusa ali vlaka,

obenem pa lahko tudi pridobi informacijo, kdaj natančno bo prišel avtobus ali vlak na

želeno postajo. S tem se seveda posameznik izogne paničnemu postopanju na postajah in

učenju voznih redov na pamet.

Vendar pa samo uporaba satelitskega navigacijskega sistema za natančno pozicioniranje in

sledenje vozil ni dovolj. Satelitski modul je potrebno nadgraditi z ustreznim inercijskim

navigacijskim sistemom, merilci pospeškov in elektronskim giroskopom, ki ob prekinitvi

satelitskega signala prevzamejo nalogo beleženja in meritve trenutne hitrosti ter smeri

gibanja vozila v prostoru. S povezavo satelitskega in inercijskega navigacijskega sistema je

sedaj možno sledenje in določanje natančne pozicije vozila tudi v predorih, urbanih centrih

in podzemnih garažah, kar z uporabo samo GPS tehnologije ni bilo izvedljivo.

1.1 NAMEN IN CILJ

Glavna značilnost vseh satelitskih navigacijskih naprav je občutljivost na kratkotrajno

prekinitev navigacijskega signala in nedelovanje ob popolni prekinitvi. Napake, ki

nastajajo ob prenosu navigacijskega signala od oddajnika do sprejemnika, povzročajo

nenatančno pozicioniranje GPS sprejemnika. Z gibanjem vozila v območjih šibkega

navigacijskega signala pa se velikost te napake v oddaljenosti od realne pozicije samo še

stopnjuje. Ker je uporaba globalnega navigacijskega satelitskega sistema občutljiva na

kontinuiteto signala, je potrebno kratkotrajne izgube signala nadomestiti z inercijskimi

merilnimi navigacijskimi sistemi (INS).

Namen diplomskega dela je preučiti in predstaviti trenutno tehnologijo, ki se uporablja na

področju sledenja in navigacije vozil. Predstavljeni so nekateri najbolj razširjeni

integracijski navigacijski sistemi, prav tako pa so tudi prikazane smeri razvoja te

tehnologije.

Cilj diplomskega dela je prikazati primer nenatančnega pozicioniranja vozila zaradi izgube

GPS signala, in sicer ob uporabi naprave za sledenje vozil, ki je proizvod trenutno enega

izmed vodilnih podjetij na področju sledenja in upravljanja vozil v Sloveniji, obenem pa

tudi predstaviti način, kako uspešno z uporabo inercijsko merilnih senzorjev (MEMS)

odpraviti napake zaradi prekinitve signala.

1.2 PREGLED POSAMEZNIH POGLAVIJ

V drugem poglavju diplomskega dela je opisan razvoj globalnega navigacijskega

satelitskega sistema s poudarkom na opisu trenutno najbolj razširjenega satelitskega

sistema GPS. Ker je prenos satelitskega signala od satelita skozi ionosfero do GPS

sprejemnika na površju Zemlje podvržen najrazličnejšim vremenskim in tehnološkim

vplivom, je predstavljena tudi vrsta vseh nastalih napak skupaj s približno oceno

odstopanja od realne pozicije sprejemnika.

Stran 3

Za komunikacijo med nadzornim centrom in med v vozilu vgrajeno enoto za sledenje vozil

se uporablja obstoječe mobilno omrežje. Tako je v tretjem poglavju prikazan pregled

strukture GSM sistema s poudarkom na uporabi protokola GPRS, ki omogoča prenašanje

podatkovnih sporočil preko mobilnih omrežij.

V četrtem poglavju je predstavljena celotna arhitektura navigacijskega sistema za izvajanje

procesa sledenja in natančnega pozicioniranja vozila ter opis celotne strojne in programske

opreme podjetja Telargo d.o.o. kot enega izmed vodilnih podjetij v Sloveniji, ki se ukvarja

s spremljanjem in lociranjem vozil.

Peto poglavje je vsebinsko nadaljevanje četrtega poglavja. V njem so natančno opisani vsi

glavni gradniki INS sistema in načini odpravljanja napak, ki nastajajo ob spremljanju vozil.

Površinskemu pregledu vseh trenutno uporabnih in razvijajočih se različic integracijskih

GPS/INS sistemov na področju sledenja in natančnega pozicioniranja sledi podrobnejši

opis uporabe MEMS senzorjev, to je uporaba dveh merilcev pospeškov in enega giroskopa,

za neprekinjeno spremljanje in pozicioniranje ob kratkotrajni popolni prekinitvi GPS

signala.

V zadnjem poglavju diplomskega dela je povzetek obravnavanega problema, nakazane pa

so tudi možne smeri nadaljnjega razvoja in uporabe GPS/INS sistemov.

Stran 5

2 SATELITSKI NAVIGACIJSKI SISTEMI

Na vrhuncu hladne vojne v poznih šestdesetih letih prejšnjega stoletja se je po iniciativi

vojske v takratnih svetovnih velesilah pričel razvoj satelitskega pozicioniranja in

navigacije. Sprva je bila izgradnja takšnega satelitskega navigacijskega sistema izključno

namenjena potrebam vojske, saj bi razvoj in realizacija le-tega pomagala pri obrambi

nacije, posledično bi seveda tak sistem igral ključno vlogo pri nadvladi sovražnika.

Primarni cilj takšnega satelitskega navigacijskega sistema je bil torej obvladovanje in

nadzor pomembnih strateških vojaških točk, omogočal pa je tudi izboljšanje natančnosti

balističnih raketnih izstrelkov. Združene države Amerike so pričele z razvojem GPS

navigacijskega satelitskega sistema, ki je še zmeraj najbolj razširjen sistem za uporabo

pozicioniranja in navigacijo.

2.1 GPS satelitski navigacijski sistem

Sistem GPS je bil razvit in namenjen potrebam vojske. Tako so Združene države Amerike

že konec šestdesetih let in v začetku sedemdesetih let prejšnjega tisočletja iz vesoljskega

središča Cape Caneveral v zvezni državi Floridi pričele z lansiranjem testnih navigacijskih

satelitov v zemeljsko orbito. Prvotni in glavni namen razvoja ter realizacija satelitskega

navigacijskega sistema sta bila namenjena natančnemu pozicioniranju pomembnih

vojaških strateških točk in natančnemu vodenju balističnih raketnih izstrelkov. Program so

začeli izvajati leta 1978. Posledično sedaj v zemeljski orbiti kroži trideset navigacijskih

satelitov. Ker je bil sistem na začetku razvit izključno za vojaške potrebe, sedaj pa se ta isti

sistem uporablja še za komercialne in osebne namene, je njegova za uporabnike slaba stran

dokaj velika nenatančnost. Obseg odstopanja od realne lokacije sistema naj bi se gibala

nekje okrog 10–15m, saj GPS navigacijski sistem za javno uporabo namensko pošilja

popačen signal, kar je vzrok za tako relativno veliko nenatančnost pozicioniranja, kar z

drugo besedo poimenujemo tudi selektivni dostop do sistema. Hkrati pa ta isti sistem

oddaja tudi nepopačen signal, ki je dostopen samo vojski, in s tem zagotavlja natančnost

sistema pozicioniranja točke do enega metra natančnosti [5].

GPS konstelacijo sestavlja skupina 24 navigacijskih satelitov, ki krožijo sedaj v šestih

različnih orbitah, in sicer po štirje sateliti v eni orbiti. Krožne orbite so določene tako, da je

med njimi kot natančno 60 stopinj. Naklon navigacijskih satelitov je približno 55 stopinj

glede na ekvatorialno ravnino. Vsak satelit kroži po svoji orbiti, ki predstavlja skoraj

popolno krožnico, katere polmer znaša 26578 kilometrov, perioda odhoda satelita pa znaša

približno 12 ur. Vsi sateliti v celotni konstelaciji so nenehno v položaju, kjer so njihove

sončne celice obrnjene proti Soncu, oddajne antene pa proti Zemlji. Vsak od teh satelitov

prav tako nosi štiri atomske ure, katerih teža se giblje nekje okrog 1000 kg, njihova skupna

velikost pa je ekvivalentna velikosti enega povprečnega osebnega vozila. Natančnost

atomskih ur dosega stopnjo natančnosti razreda nekaj delčkov 10-15 sekunde na dan [5]

[20].

GPS satelitski navigacijski sistem tako neprekinjeno oddaja podatke, ki so potrebni za

natančno določitev pozicije kjerkoli na zemeljski površini in v zraku. Podatki s pomočjo

atomskih ur na navigacijskih sistemih vsebujejo vrednosti točnega časa, vrednost natančne

pozicije satelita v njegovi krožni orbiti ter podatek hitrosti kroženja satelita glede na

univerzalni koordinatni čas1. Časi poslani iz GPS navigacijskih satelitov so sinhronizirani z

atomsko uro glavne kontrolno nadzorne GPS postaje v Koloradu, ZDA [5] [20].

Slika 2-1: Položaji nadzornih centrov satelitskega navigacijskega sistema GPS [15]

1 UTC – Coordinated Universal Time (v nekaterih primerih kar GMT-Greenwich Mean Time). Mednarodno

sprejet standardni čas, katerega definicija sekunde je vezana na prehodna stanja cezijevega 133 atoma [5].

Stran 7

2.1.1 GPS Block I satelitski navigacijski sistem

Block 1 testni navigacijski program je sestavljalo 11 navigacijskih satelitov, ki so jih

izstrelili v času od meseca februarja 1978 do meseca oktobra 1985. Teža vsakega od

satelitov je znašala približno 800 kg. Pričakovana funkcionalna doba je sprva znašala nekje

4–5 let, ta se je kasneje podaljšala še za naslednjih 5 let in danes ne delujejo več.

Najstarejši delujoči satelit iz prve skupine Block I sistema je bil v obratovanju kar 13 let.

Sateliti so krožili v istih krožnih orbitah kot kasneje sateliti sistema Block II, vendar z

naklonom 63 stopinj glede na ekvatorialno ravnino. Vsak satelit je nosil po eno cezijevo in

dve rubidijevi atomski uri. Za navigacijo so oddajali dva različna signala frekvenc 1575,42

MHz (L1) in 1227,60 MHz (L2) [20] [38].

2.1.2 GPS Block II/IIA

Po koncu navigacijskega satelitskega programa Block I so v ZDA pričeli februarja leta

1989 z nadgrajevanjem satelitov in tako posodobili starejše satelite z novimi. V času od

leta 1989 do novembra 1997 so v orbito izstrelili skupno 28 novih satelitov programa

Block II in Block IIA. Celotno konstelacijo je na koncu sestavljalo 24 navigacijskih

satelitov v šestih krožnih orbitah, po štirje sateliti v vsaki orbiti, in štirje rezervni sateliti, ki

so nadomestili izpad kateregakoli satelita zaradi okvare ali vzdrževalnih del. Masa novih

satelitov je znašala 1665 kg za satelite tipa Block II in 1816 kg za satelite tipa Block IIA.

Skupina novih navigacijskih satelitov je prav tako vsebovala UHF oddajnike, ki so služili

povezavi vseh navigacijskih satelitov v mrežo. Tudi ti so za navigacijo oddajali dva

različna signala frekvenc enakih vrednosti kot sateliti tipa Block I (L1 in L2). Sateliti so za

natančnost pozicioniranja in navigacijo vsebovali skupno štiri atomske ure, in sicer po dve

cezijevi in dve rubidijevi atomski uri. Konstelacija satelitov tipa Block IIA je bila za večjo

natančnost nekoliko spremenjena v primerjavi s konstelacijama Block I in Block II

navigacijskih satelitov [20] [38].

2.1.3 GPS Block IIR/IIR-M/IIF

Za doseg natančnosti, kot jo uporabljamo danes, pa so že januarja 1997 pričeli z

lansiranjem in testiranjem novih tehnološko zmogljivejših navigacijskih satelitov tipa

Block IIR z oznako nadomestitev (R – replacement ang. zamenjava slov.) in satelitov tipa

Block IIM z oznako moderniziran (M – modernize ang. modernizirano slov.). Skupno so

tako od januarja 1997 do avgusta 2009 izstrelili 13 satelitov tipa Block IIR in 8 satelitov

tipa Block IIR-M. Glavna prednost novih navigacijskih satelitov je bila njihova zmožnost

vzdrževanja konstantne medsebojne razdalje v krožni orbiti. To so dosegli s pomočjo

neprestanega preverjanja, povezovanja in komuniciranja med seboj. Sateliti, katerih teža se

giba okrog 2000 kg, so opremljeni tudi s programsko in strojno opremo, ki skrbi za

neprekinjeno delovanje navigacijskega sistema in sprotno odpravljanje možnih napak brez

čakajočih napotkov in popravkov iz glavnega kontrolno nadzornega centra. Za precizno

merjenje časa in posledično natančnejše določanje pozicij in lociranja točk na površju

Zemlje ter v zraku pa skrbijo tri rubidijeve atomske ure na vsakem od satelitov. Te

omogočajo natančnost merjenja časa z odstopanjem ±1 sekunde na 1 milijon let. Zadnje

tipe navigacijskih satelitov (že četrta generacija Navstar satelitov za navigacijo) pa

predstavlja satelit tipa Block IIF, ki so ga prvič in do sedaj edinkrat izstrelili maja leta

2010. Block IIF namesto cezijevih in rubidijevih atomskih ur uporablja za merjenje časa

nov tip vodikovih máser atomskih ur. Ta tip atomskih ur predstavlja novo generacijo

atomskih ur, ki bodo zagotavljale še večjo natančnost od prejšnjih. Masa satelita znaša

1545 kg in sedaj oddaja še tretjo frekvenco, ki je skupaj s šifrirnim signalom za vojaške

namene namenjena tudi osebni in komercialni rabi [20] [38].

2.2 GALILEO satelitski navigacijski sistem

Leta 1999 so po preučitvi štirih različnih konceptov za izgradnjo evropskega

navigacijskega sistema in na podlagi predlaganih rešitev izdelali skupen program, ki naj bi

bil sestavljen iz vseh ponujenih različic, poimenovali so ga Galileo. Po potrditvi Evropske

Unije in Evropske Agencije za Vesolje (ESA – European Space Agency) leta 2003 se je

nad ozemljem starega kontinenta rodil in pričel izvajati Galileo satelitski navigacijski

sistem [5].

Združenje evropskih velesil se je torej odločilo, da bodo začeli v okviru svetovnega

navigacijskega satelitskega sistema razvijati svoj samostojen navigacijski satelitski sistem,

s katerim bi nadomestili že skoraj štirideset let trajajoči GPS navigacijski satelitski

program. Tako bi postali neodvisni na področju satelitskega navigacijskega pozicioniranja.

Stran 9

S pričetkom projekta samostojnega satelitsko navigacijskega sistema se je Evropa

pridružila takrat že obstoječim navigacijskim sistemom Združenih držav Amerike, GPS

sistemu iz leta 1978, Ruskemu GLONASS sistemu iz leta 1982 in Kitajskemu BEIDOU

sistemu iz leta 2000. Evropski projekt satelitskega navigacijskega sistema za uporabo v

komercialne in civilne namene GALILEO NAVSAT se je pričel izvajati v praksi decembra

leta 2005, ko je evropska vesoljska agencija ESA na ozemlju današnjega Kazahstana,

natančneje v vesoljskem središču za izstrelitev vesoljskih plovil Baikonur, v orbito poslala

svoj prvi testni navigacijski satelit z oznako GIOVE A. Z lansiranjem drugega testnega

navigacijskega satelita GIOVE B aprila leta 2008 je projekt navigacije za širšo populacijo

in njegovo uporabo v civilne namene tako pridobil še en satelit od končno predvidenih

skupno trideset satelitov za navigacijo. Za razliko od ameriškega GPS sistema in ruskega

GLONASS sistema bo v končni verziji GALIELO navigacijski sistem zagotavljal stopnjo

natančnosti pozicioniranja na en meter natančnosti [20] [38].

Satelitski navigacijski sistem GALILEO, razvit pod okriljem evropske vesoljske agencije,

sedaj v razvojni fazi sestavljata dva testna navigacijska satelita, ki za natančno

pozicioniranje in navigacijo uporabljata že obstoječa satelitska navigacijska sistema GPS

in GLONASS. V letu 2011 bi se morala izvesti dopolnitev navigacijskega sistema z

izstrelitvijo štirih novih satelitov v svoje tirnice okrog Zemlje. Po sporazumu, sprejetemu

novembra leta 2007, in s podpisom sporazuma sedemindvajsetih ministrov za promet vseh

evropskih držav bi se evropski navigacijski satelitski program moral zaključiti leta 2014.

Takrat naj bi predstavljal celotni evropski satelitski navigacijski sistem tridesetih satelitov.

Za razliko od prejšnjih satelitskih sistemov bi GALILEO satelitski sistem dopuščal boljšo

natančnost pozicioniranja tudi v osebne in komercialne namene [38] [43].

2.3 Določanje položaja s satelitskim navigacijskim sistemom

Natančno pozicioniranje sprejemnika se lahko določi s pomočjo signala, ki ga konstantno

oddajajo navigacijski sateliti. Navigacijski sprejemnik s pomočjo natančne časovne

meritve izmeri najprej čas, ki je potreben, da signal, poslan iz satelita, prispe do

sprejemnika nekje na površini Zemlje. Sateliti za natančno določitev položaja neprestano

pošiljajo signal, ki zajema podatke o trenutnem natančnem položaju satelita v njegovi

krožni orbiti, ki je vnaprej natančno določena, podatek o natančnem času, kdaj je bil signal

iz satelita poslan in nazadnje še splošen podatek vseh generalnih pozicij ostalih satelitov.

Sprejemnik nekje na površini nato te sprejete podatke uporabi za izračun natančne pozicije,

kjer se sprejemnik v danem trenutku nahaja. S pomočjo matematičnih algoritmov in

fizikalnih enačb ob obdelavi časa, ki ga signal potrebuje, da doseže sprejemnika, lahko

sprejemnik natančno izračuna razdaljo do vsakega posameznega dostopnega satelita nad

njegovo trenutno lokacijo. Razdalje do v nekem danem trenutku vidnih satelitov in njihova

natančna pozicija se uporabijo za postopek določanja natančne lokacije sprejemnika na

osnovi triangulacije sprejetih signalov.

Tako je določanje natančne lokacije s pomočjo satelitov v bistvu merjenje razdalj od v

določenem trenutku vidnih navigacijskih satelitov do sprejemnika. Pot in s tem natančna

lokacija specifičnega navigacijskega satelita je vnaprej točno določena in znana v vsakem

trenutku, sateliti pa jo skupaj s signalom konstantno posredujejo do sprejemnika. Z

merjenjem razdalj med sprejemnikom in sateliti ter že znanimi pozicijami le-teh se lahko s

pomočjo algoritmov natančno določi lokacija sprejemnika tako na površini kot v zraku. S

spremembo lokacije sprejemnika pa lahko s pomočjo satelitov izračunamo tudi hitrost

premikanja sprejemnika. Za določanje natančnih pozicij sprejemnika pa z uporabniškega

vidika zadostuje že pritisk na gumb navigacijske naprave. Tako uporabnik dobi

informacijo o njegovi trenutni lokaciji. Vendar se za na videz enostavnim procesom

pozicioniranja skriva kompleksno poznavanje elektronskih naprav, nebesne mehanike in

mehanike orbit, poznavanje atmosfere in njenih zakonov, poznavanje geodezije, teorije

relativnosti, matematike in nazadnje razvoj uporabnih programskih orodij. Razvoj

satelitskega navigacijskega sistema se v zadnjem času nagiba h kompatibilnosti in

intermodalnosti vseh že razvitih navigacijskih sistemov, katerih princip delovanja je zelo

podoben. Ob združenju delujočih navigacijskih sistemov se počasi razvija svetovni

satelitski navigacijski sistem, ki bo slonel na GPS, GLONASS in GALILEO sistemih [5].

Poenostavljeno delovanje pozicioniranja s pomočjo navigacijskih satelitov lahko razložimo

na enostavnem primeru: za natančno lokacijo satelit pošlje podatke, ki vsebujejo

informacije o oznaki satelita, ki je poslal te podatke, njegovo točno lokacijo v krožni orbiti

in natančen čas pošiljanja podatka. Ti poslani astronomski efemeridi2 se shranijo v

2 efemeríde -ríd ž mn. (i) astr. periodična publikacija s podatki o legah nebesnih teles

Stran 11

sprejemniku za kasnejše izračune. Za določitev točne lokacije sprejemnika, ki se v tistem

trenutku nahaja nekje na površini Zemlje ali v zraku, sprejemnik najprej izvede primerjavo

časa poslanih podatkov s satelita s časom prispetja podatkov do sprejemnika. S to

izračunano časovno razliko se lahko natančno izračuna tudi razdalja do satelita, iz katerega

so bili ti podatki posredovani. Z upoštevanjem in analizo istih podatkov, poslanih še iz

ostalih satelitov, lahko zelo natančno določimo trenutno lokacijo sprejemnika z uporabo

triangulacije točke. Za to pa mora navigacijski sprejemnik zbrati podatke od najmanj treh

satelitov. Za določanje absolutne pozicije sprejemnika v tridimenzionalnem prostoru nekje

na površju Zemlje pa je potreben signal vsaj štirih navigacijskih satelitov. S tem lahko

določimo tudi nadmorsko višino sprejemnika [40].

Lahko si predstavljamo, da signal iz prvega satelita potrebuje za pot do našega sprejemnika

4 sekunde3, kar pomeni, da se sprejemnik nahaja kjerkoli na krožnici z razdaljo do prvega

satelita. Če izvedemo meritev še z drugim satelitom, dobimo čas potreben za pot signala iz

drugega satelita do istega sprejemnika, ki znaša 5 sekund. Tako dobimo presečišči

(označimo ju z A in B) dveh krožnic, na katerih se lahko nahaja naš sprejemnik. Ker pa

vemo, da se sedaj presečišče v točki B nahaja nekje v vesolju in ne na Zemlji, lahko v

grobem določimo lokacijo presečišča A kot nahajališče našega sprejemnika na zemeljskem

površju. Sedaj lahko lokacijo našega sprejemnika ocenimo samo v grobem, za izračun

natančnejše pozicije potrebujemo še tretji viden satelit. S pomočjo tretjega satelita lahko

določimo položaj sprejemnika kjerkoli, seveda pod predpostavko, da gre za ravno

površino. V primeru, ko se sprejemnik nahaja nekje na določeni nadmorski višini pa ta

sistem ne deluje. Za določitev te pozicije potrebujemo še signal četrtega navigacijskega

satelita, saj lahko le tako določimo natančno nadmorsko višino našega sprejemnika in s

tem tudi natančen položaj v tridimenzionalnem prostoru [40].

3 V realnosti potrebuje signal za pot do sprejemnika kjerkoli na Zemlji približno 0,07 sekunde.

Slika 2-2: Določanje pozicije z dvema satelitoma [40]

Način, kako lahko s pomočjo navigacijskih satelitov določimo položaj sprejemnika na

Zemlji, je prikazan na naslednjem primeru. Vzemimo, da je čas, ki ga je poslal prvi satelit

0,5 sekunde pred časom, ki ga kaže naš sprejemnik. To pomeni, da ima sprejemnik 0,5

sekunde zamude za časom prvega satelita. To je tudi čas potreben, da pride signal iz

prvega satelita do našega sprejemnika, ta sedaj ne znaša 4 sekunde, ampak 4,5 sekunde.

Na osnovi zabeleženega časa v sprejemniku lahko sklepamo, da se sprejemnik nahaja v

točki B ali v točki A. Razdalje, ki niso razdalje od sprejemnika do satelita, se imenujejo

psevdorazdalje. Psevdorazdalje so upoštevane tako dolgo, dokler se ne izvede

sinhronizacijski popravek izmerjenih vrednosti časa [40].

Natančnost določene pozicije je posredno odvisna od natančnosti ure v sprejemniku. Ker

pa potrebujejo signali za pot do sprejemnika, približno 0,07 sekunde, lahko sklepamo, da je

katerakoli vrednost naše pozicije neuporabna, saj časovna netočnost in nenatančnost ur v

GPS sprejemnikih za osebno in komercialno rabo predstavlja preveliko odstopanje in

prevelik vpliv na netočnost naših sprejemnikov. V splošnem lahko netočnost ure

sprejemnika za samo 1/100 sekunde pomeni nepravilno pozicijo v navigacijskem sistemu v

razdalji 3000 metrov. Za doseganje natančnosti satelitskih navigacijskih sistemov in GPS

sprejemnikov razreda velikosti 10 metrov morajo biti ure usklajene do 0,03·10-6 sekunde

natančno. Ker je vgradnja atomskih ur ekonomsko nekredibilna, je rešitev nenatančnosti ur

v GPS sprejemnikih rešena na bolj eleganten način. Z upoštevanjem podatkov iz tretjega

Stran 13

navigacijskega satelita in meritvijo razdalje ter časa je napačna določitve lokacije zaradi

časa odpravljena in s tem lokacija na površju Zemlje natančna [40].

Slika 2-3: 2D pozicioniranje z dvema satelitoma in časovno napako [40]

Če upoštevamo v meritvah še vrednosti tretjega satelita in izmerimo razdaljo ter pridobimo

vrednost časa tudi tega satelita, dobimo še eno dodatno krožnico, ki seka prejšnji dve. V

kolikor bi bile ure v teh treh satelitih in ura v našem sprejemniku popolnoma usklajene in

natančne, bi lahko določili našo pozicijo v točki A. Ker pa ima naš sprejemnik časovno

odstopanje za 0,5 sekunde, dobimo s presekom tretje krožnice še dve dodatni točki

presečišč. Takšno časovno odstopanje sprejemnika je nazorno prikazano na spodnji sliki

[40].

Slika 2-4: 2D pozicioniranje s tremi sateliti in časovnim popravkom [40]

Če sedaj čas sprejemnika spreminjamo tako dolgo, dokler se točke B ne premaknejo na

položaj točke A, lahko v trenutku, ko se točke med seboj prekrijejo rečemo, da je čas

sprejemnika in čas atomskih ur treh satelitov sinhroniziran. Čas sprejemnika lahko sedaj

enačimo s časom satelitov in psevdorazdalje sedaj predstavljajo dejanske točne vrednosti

razdalje sprejemnika do treh satelitov. V dvodimenzionalnem ploskovnem svetu je tako za

natančno določanje trenutne pozicije sprejemnika potrebno pridobiti signal iz treh

navigacijskih satelitov [40].

Ker pa se GPS sprejemniki ne uporabljajo samo v navtiki, kjer je vrednost nadmorske

višine nič, temveč tudi na kopnem in v zraku, kjer je nadmorska višina še ena neznanka, se

v praksi uporabljajo za določanje natančne lokacije signali prejeti iz štirih satelitov. Le s

pomočjo obdelave podatkov iz štirih navigacijskih satelitov je možna natančna lokacija

sprejemnika kjerkoli na zemeljski obli. Če želimo določiti položaj sprejemnika v prostoru

na določeni nadmorski višini, moramo uporabiti razdaljo med sprejemnikom in četrtim

satelitom, ki se nato odšteje od polmera Zemlje. Ker pa Zemlja nima oblike krogle in se

obravnava kot geoid, se ta napaka nenehno popravlja s konstantnim preračunavanjem

pozicije med četrtim satelitom in položajem sprejemnika, kar zagotavlja natančnost

meritve. S pomočjo obdelovanja efemeridov iz vidnih satelitov lahko sprejemnik dodatno

prikazuje še podatke o smeri gibanja v prostoru in svojo hitrost gibanja [20] [40].

Stran 15

2.4 Tehnologija pozicioniranja s pomočjo navigacijskih satelitov

Pri določanju natančne lokacije sprejemnika govorimo o obdelovanju efemerid, ki jih

pošiljajo navigacijski sateliti, o obdelavi podatkovnih signalov v obliki radijskih frekvenc

in o sinhronizaciji atomskih ur s kvarčno uro sprejemnika. Kljub konstantnem merjenju in

obdelovanju radio signalov, ki jih pošiljajo navigacijski sateliti, in nenehnemu

kontrolnemu segmentu, ki izvaja popravke potrebne za doseganja natančnosti

pozicioniranja, obstaja tudi možnost nenatančnosti posredovanja lokacije in ostalih

gabaritov zaradi motenj, ki nastopijo pri posredovanju podatkov ter obdelavi le-teh. Glavna

lastnost vseh navigacijskih satelitskih sistemov je oddajanje radijskih frekvenc in s tem

podatkov o natančni lokaciji in točnem času atomskih ur na satelitih, ki jih s pomočjo

procesov obdelave pridobljenih podatkov pretvorimo v uporabne podatke v obliki

koordinat, ki jih potrebujejo sprejemniki.

V grobem lahko navigacijski satelitski sistem predstavimo kot skupino treh medsebojno

dopolnilnih in delujočih podsistemov, ki skupaj podajajo natančno lokacijo sprejemnika

kjer koli na Zemlji. Ta sistem sestavljajo vesoljski navigacijski sistem, zemeljski kontrolni

sistem in uporabniški sistem s sprejemniki navigacijskih signalov, kot je prikazano na

spodnji sliki.

Slika 2-5: Satelitski navigacijski sistem in podsistemi

Za določanje lokacij sprejemnika in za natančno delovanje celotnega navigacijskega

sistema je potrebno koherentno in efektivno delovanje vseh vključenih podsistemov v

satelitski navigacijski sklop.

Vesoljski podsistem sestavlja mreža operabilnih navigacijskih satelitov, ki krožijo v svojih

vnaprej določenih krožnih orbitah. Vse konstelacije so točno določene in znane ter jih s

pomočjo nadzornega kontrolnega centra konstantno preverjajo ter popravljajo. Popravki se

avtomatsko prenašajo na satelite in ti se primerno popravkom tudi vedejo. Ker podatkovni

signali, ki jih sateliti prenašajo na Zemljo, temeljijo na prenašanju radijskih frekvenc,

prenosi podatkov pa so podvrženi tudi astrofizikalnim vplivom v ionosferi ter troposferi,

govorimo o zelo kompliciranem postopku odkrivanja, popravljanja in preverjanja napak.

Podatkovni signal iz navigacijskega satelita sestavljata za širšo uporabo v osebne in

komercialne namene dva nosilna signala podatkov z dvema različnima frekvencama. Tako

govorimo pri uporabi navigacijskih podatkov o frekvenci L1 in frekvenci L2. Ker prihaja

pri prenosu signala skozi ionosfero do motenj in popačenj signala, je s tem posledično

nenatančna tudi pozicija našega sprejemnika. Ker se je ob vedno večji razširjenosti

navigacijske tehnologije v komercialne in osebne namene pojavila tudi zahteva po boljši

natančnosti navigacijskih naprav, je za odpravo motenj in izločitev napak, ki so nastale

zaradi prenosa signala skozi ionosfero, izredno pomembno oddajanje frekvence L2, ki služi

za merjenje zakasnitve radijskega signala skozi ionosfero. S tem se je natančnost

pozicioniranja izboljšala na 5–10 metrov.

2.5 Zgradba podatkovnega signala

Podatkovni signal satelitskega navigacijskega sistema je sestavljen iz dve nosilnih

frekvenc. Podatkovni signal, ki ga konstantno oddajajo sateliti, vsebujejo podatke, ki so

potrebni za natančno določanje pozicije sprejemnika. Za določanje natančne pozicije

sprejemnika s pomočjo navigacijskih satelitov t.i. oddajniki s pripadajočo strojno opremo

nenehno posredujejo podatke iz satelitov o točnem času atomske ure na satelitu, podatek o

natančni legi satelita v svoji orbiti ter njegovo lokacijo glede na celotno konstelacijo

satelitskega navigacijskega sistema, s tem pa posledično tudi razdaljo do ostalih vidnih

navigacijskih satelitov. Za večjo natančnost pozicije posredujejo podatke na dveh različnih

nosilnih frekvencah L1 in L2. Atomske ure v satelitih delujejo z osnovno frekvenco f0, ki je

Stran 17

zaradi upoštevanja relativnostne teorije, ki pravi, da čas teče počasneje, bližje kot je

gravitacijski točki in da je vrednost časa odvisna tudi od hitrosti gibanja ure, popravljena

na vrednost f0=10.229999995453 MHz. Za izgradnjo podatkovnega signala pa se ta

frekvenca zaokroži na vrednost 10.23 MHz in je tako osnova za izgradnjo nosilnega

signala L1 in L2, ki sta večkratnika te osnovne frekvence atomskih ur. Tako je frekvenca

nosilnega signala L1 enaka večkratniku frekvence f0 in znaša 1575,42 MHz. Za natančnejši

izračun pozicije sprejemnika in za upoštevanje napake podatkovnega signala, ki nastopi ob

potovanju signala skozi ionosfero in troposfero se upošteva še nosilni signal L2, čigar

vrednost je prav tako večkratnik osnovne frekvence f0 in znaša 1227,60 MHz. Z

upoštevanjem dodatne frekvence L2 se je točnost pozicioniranja s tem povečala na 5–10

metrov [5] [41].

Tako lahko zaključimo, da je natančnost pozicije odvisna od narave signalov, ki jih

pošiljajo sateliti, in od vrste sprejemnikov, ki signal sprejemajo, ter od nadzorne kontrolne

postaje, ki ta signal pregleduje. Posledično je navigacijski satelitski signal zelo kompleksen

in z njegovo pomočjo lahko določimo parametre, kot so enosmerno ali pasivno določanje

pozicije sprejemnika, natančna lokacija in smer gibanja z upoštevanjem Doppler-jevega

efekta. Prenos navigacijskih informacij zajema simultano sprejemanje in obdelavo

podatkov posredovanih iz ostalih navigacijskih satelitov, popravek napake zaradi

potovanja podatkov skozi ionosfero in troposfero ter neobčutljivost na interference in

odboj oziroma razpršenost podatkovnih signalov. Za izpolnitev vseh naštetih parametrov je

bil razvit podatkovni signal, ki ga uporabljajo navigacijski satelitski sistemi danes [5] [41].

Za prenos podatkovnega signala je potrebno določiti primerno nosilno frekvenco. Za izbiro

teh vrednosti nosilnih frekvenc podatkovnih signalov so bili izpolnjeni naslednji pogoji

[41]:

- Frekvenca signala ne sme presegati vrednosti 2GHz, saj so za signale, ki so večji od

omenjene vrednosti, za sprejem potrebne zunanje visokofrekvenčne logaritmično

periodične dipol antene.

- Časovne zakasnitve podatkovnih signalov pri prehajanju skozi ionosfero in

troposfero so izredno velike za podatkovne signale, katerih frekvence so pod

vrednostjo 100 MHz in nad 10 GHz.

- Hitrost širjenja elektromagnetnih valovanj skozi medij, kot je zrak, ni konstantna.

Razlika, od hitrosti potovanja svetlobe v vakuumu, je tem večja čim manjša je

frekvenca podatkovnega signala

- Za modulacijo nosilnega signala z navidezno naključno kodo PRN je potrebna

širokopasovna podprtost navigacijskega sistema.

- Izbrana frekvenca mora minimizirati vremenski vpliv (dež, sneg, oblačnost in drugi

vremenski vplivi) na prenos podatkovnega signala.

Vsak navigacijski satelit tako oddaja dva nosilna podatkovna signala dveh različnih

frekvenc. Gre za mikrovalovne radijske signale frekvenčnega območja med 1000 in 2000

MHz. Navigacijski sprejemniki za osebno rabo uporabljajo za lociranje večinoma samo

prvi nosilni signal L1 s frekvenco 1575,42 MHz. Nosilni signal frekvence L1 vsebuje

navigacijske podatke kot tudi SPS kodo. Nosilni podatkovni signal frekvence L2 1227,60

MHz se uporablja samo v sprejemnikih, ki omogočajo precizno pozicioniranje

sprejemnika. Nosilni signal frekvence L2 vsebuje tako samo navidezno naključno psevdo

šumno kodo P za sprejemnike tipa PPS kode in njen namen je merjenje upočasnitve

podatkovnega elektromagnetnega signala skozi atmosfero [41].

Stran 19

Slika 2-6: Zgradba satelitskega navigacijskega podatkovnega nosilnega signala L1 in L2 [40]

Ker gre za konstantni prenos podatkov iz navigacijskih satelitov, je potrebno zagotoviti

nemoten prenos in odpraviti medsebojne motnje pri prenašanju podatkov iz večih satelitov

naenkrat z zagotavljanjem simultanega prenosa ob uporabi navidezne kode PRN. Tako sta

obe nosilni frekvenci modulirani s kombinacijo navidezno naključne kode sekvenc 0 in 1

ter navigacijskim sporočilom. Takšen postopek moduliranja podatkovnega signala se

imenuje širokopasovna spektrovna modulacija, s pomočjo katere je medsebojna

interferenca nosilnih signalov iz večih satelitov izničena, in omogoča nemoten prenos in

obdelavo podatkovnih signalov iz večih satelitov naenkrat. Nosilna frekvenca L1 je

modulirana z dvema navidezno naključnima kodama, in sicer s kodo C/A

(Course/Acquisition) in kodo P (Precision). Nosilna frekvenca L2 pa je modulirana samo z

navidezno naključno kodo P [41] [42].

2.5.1 Navidezno naključni kodi C/A in P

Navidezno naključna koda C/A je sestavljena iz 1023 binarnih stanj ali drugače

imenovanih elementov ''chip''. Chip je enak bitu in je sestavljen iz dveh stanj, in sicer iz

vrednosti 0 ali 1. Tako celotno kodo sestavlja niz 1023 znakov vrednosti 0 ali 1 in se

oddaja s frekvenco 1,023 MHz, kar pomeni, da se celotna na videz naključna koda ponovi

vsako milisekundo. Z modulacijo te kode in nosilne frekvence signala se širina pasu

podatkovnega signala poveča iz 2 MHz na 20 MHz. Govorimo o tako imenovani

modulaciji signala na razpršeni spekter. Tako se izniči možnost interference med

podatkovnimi signali navigacijskih satelitov. Koda C/A je pseudo, na videz naključna,

generirana koda, ki pa je pri vsakem satelitu drugačna in specifična. Ker se koda ponovi

vsako milisekundo, se tako v eni sekundi generira 1023000 chipov ali bitov. Z

upoštevanjem hitrosti, s katero potuje svetloba, lahko zaključimo, da dolžina enega chipa

odgovarja razdalji približno 300 metrov [5] [41] [42].

Navidezno naključna koda P je prav tako del PRN (PRN – pseudorandom noice) kode, ki

pa je za razliko od C/A kode zelo dolga. Celotna P koda je dolga približno 2.35 × 1014

bitov oziroma približno 26.716 terabajtov in je zato razdeljena na dele, ki so natančno

določeni za vsak satelit posebej. Tako vsi navigacijski sateliti oddajajo le del celotne P

kode in ta del je specifičen za vsak satelit. Koda vsakega satelita je zmanjšana na dolžino

6.1871 × 1012 bitov oziroma približno 720.213 gigabajtov. Ker je C/A koda unikatna za

vsak satelit posebej je P koda določenega satelita le del celotne P kode, ki se ponovi enkrat

tedensko [5] [41] [42].

2.5.2 Navigacijsko sporočilo

Navigacijsko sporočilo predstavljajo podatki, ki jih konstantno pošiljajo navigacijski

sateliti do sprejemnika. Sprejemniki za določitev njihove natančne pozicije potrebujejo

zraven PRN kode še informacije o natančni legi satelita ter celotne satelitske konstelacije.

Za to je pred PRN kodo v podatkovnem signalu rezerviranih prvih 50 bitov, ki

predstavljajo navigacijsko sporočilo, ki ga satelit oddaja. Navigacijsko sporočilo je

sestavljeno iz treh večjih delov. Prvi del vsebuje podatke o atomski uri in datumu satelita

ter status in stanje satelita. Drugi del vsebuje podatke o orbiti oziroma tako imenovane

efemeride, ki omogočajo sprejemniku izračun natančne pozicije satelita. Ter tretji del, ki

ga imenujemo tudi almanah, in ima podatke o konstelaciji ter statusu in poziciji ostalih

navigacijskih satelitov, vsebuje pa tudi njihove PRN kode. Ker efemeridi predstavljajo

informacije, ki so zelo podrobne in ne ostajajo aktualne več kot štiri ure, se za razliko od

Stran 21

efemerid informacije, ki so zajete v almanahu, posodabljajo le približno dva krat na leto.

Podatki v almanahu tako pomagajo sprejemniku pri izbiri iskanja satelitov. Ko je to

doseženo, sledi prenos efemeridnih podatkov iz posameznih satelitov. Natančna določitev

pozicije sprejemnika je možna samo takrat, kadar sprejemnik uspe prenesti vse efemeride

vidnih satelitov. Navigacijsko sporočilo v celoti zajema 1500 bitov in je razdeljeno v pet

enakomernih delov po 300 bitov. Pri upoštevanju hitrosti prenosa podatkovnega signala 50

bitov/s je potrebno 12,5 minut, da sprejemnik prenese celoten navigacijski podatkovni

signal. Čas prenosa celotnega navigacijskega sporočila traja toliko samo prvič, ko se

sprejemnik poveže s sateliti, ob naslednjem prenosu podatkov je čas krajši [5] [41].

Tabela 2-1: Struktura dela navigacijskega podatkovnega signala [5]

En celoten okvir oziroma frame sestavlja celotno navigacijsko sporočilo. To je sestavljeno

iz petih podokvirjev, ki so enako veliki. Vsak od teh petih podokvirjev je velik deset besed

in se prične s sinhronizacijskim podatkom ali TLM sporočilom (TLM – Telemetry word).

Njegova glavna naloga je sinhronizacija s sprejemnikom, izključitev možnih nastalih

napak in varnost oziroma zavarovanje prenesenih podatkov. Druga beseda vsebuje podatek

HOW (HOW – Hand Over Word), ki nosi sporočilo o času, ki je pretekel od zadnjega

vnovičnega štetja ''tedna''. Ker se koda P ponavlja enkrat tedensko, se podatek HOW

uporablja v vojaških navigacijskih sprejemnikih za dostop do P kode [5] [41].

2.6 Nastanek in vrsta napak pri satelitskem pozicioniranju

Ker je natančno pozicioniranje s pomočjo satelitskega sistema odvisno od različnih

faktorjev, lahko rečemo, da imajo vsi trenutno obstoječi satelitski navigacijski sistemi en in

skupen cilj, in sicer minimalizirati obstoječe napake in z nenehnim nadgrajevanjem sistema

omogočiti največjo možno natančnost tudi pri uporabi satelitskega navigacijskega sistema

v osebne ali komercialne namene. Ker celotni satelitski navigacijski sistem sestavljajo v

grobem rečeno trije segmenti, so v vseh teh treh segmentih prisotne napake, ki vplivajo na

natančnost sistema, torej na določanje natančne pozicije sprejemnika.

2.6.1 Geometrija satelitov in krožnih orbit

Za določitev natančne pozicije sprejemnika nekje v prostoru je potrebna pridobitev

podatkovnih signalov iz vsaj štirih navigacijskih satelitov, ki krožijo v svoji konstelaciji.

Ko sprejemnik pridobi signale iz vsaj štirih satelitov, še ne pomeni, da bo izračunana

pozicija natančna, saj je pomembno, v katerem položaju glede na zemeljsko površino se le-

ti nahajajo. Rečemo lahko, da je pomembna sama postavitev med sateliti glede na položaj

sprejemnika. Posplošeno velja, da se natančnost določitve pozicije veča z razdaljo med

vidnimi sateliti in je kót ob preseku njihovih orbit najmanjši.

V primeru, da se sprejemnik nahaja v nekem danem trenutku nekje, kjer je možen sprejem

iz štirih navigacijskih satelitov, katerih vseh trenutni položaj je nekje severno od

sprejemnika in s tem razdalja do sprejemnika v isti smeri se pojavi napaka določitve

pozicije, ki lahko od dejanske pozicije odstopa tudi za 100-150 metrov. Primer slabe

geometrijske pokritosti navigacijskih satelitov je prikazan na spodnji sliki. Kot presečišča

orbit je velik in orbiti se skorajda prekrivata. V takšnem primeru govorimo o slabi

geometrijski pokritosti satelitov glede na položaj sprejemnika [41].

Slika 2-7: Slabo geometrijsko prekrivanje navigacijskih satelitov [15]

Stran 23

V primeru, da sprejemnik pridobi podatke iz dveh satelitov, katerih orbiti se skorajda

prekrivata, ob tem pa je polje možne lokacije sprejemnika nekje v prostoru izredno veliko,

bo natančnost pozicije majhna. Idealna postavitev je takšna, v kateri sprejemnik pridobi

podatke iz štirih satelitov, katerih pozicije so med seboj pravokotne, to pomeni, da je kót v

presečišču med orbitami 90º glede na trenutni položaj sprejemnika. Primer zelo dobre

natančnosti je prikazan na spodnji sliki, kjer je površina možne lokacije sprejemnika

majhna [41].

Slika 2-8: Dobro geometrijsko pokrivanje navigacijskih satelitov [15]

Kadar sta satelita v ugodnih položajih in se njuni orbiti sekata pod pravim kotom, je

površina možne lokacije sprejemnika najmanjša. Čas pridobljen od teh dveh satelitov in

izračunana razdalja dajeta v tem primeru natančnejšo pozicijo in govorimo o dobri

geometrijski pokritosti satelitov glede na sprejemnik [41].

2.6.2 Efekt razpotij ali odboj podatkovnih signalov

O efektu razpotij signalov govorimo, kadar sprejemnik s svojim položajem pridobiva

podatkovne signale, ki se odbijajo od okoliških stavb in drugih visokih preprek.

Slika 2-9: Razpotja podatkovnih signalov [15]

Položaj sprejemnika v urbanih naseljih z veliko visokimi zgradbami ali drugimi možnimi

motečimi predmeti povzroča odboj podatkovnih signalov od okoliških ovir. Radijski

signali, ki jih pošiljajo vidni sateliti, se odbijajo od visokih ovir, ki obkrožajo sprejemnik.

Več signala se odbije od zgradb ali drugih ovir daljša je njegova pot do sprejemnika. Ker je

pot daljša, se tudi čas sorazmerno poveča. Iz nastalega položaja je natančnost sprejemnika

nekaj metrov od prave lokacije [41] [56].

2.6.3 Atmosferski efekt na natančnost

Naslednji pomemben faktor nepravilnosti pozicije je vzrok popačenja poti podatkovnega

signala, ki nastopi v zemeljski atmosferi. Ker se v ionosferi pot signala odkloni, in tako pot

podatkovnega signala ni več enka daljici oziroma najkrajši razdalji od satelita do

sprejemnika, je posledično pot podatkovnega signala daljša, kot bi lahko bila brez

atmosferskih vplivov [41] [56].

Stran 25

Slika 2-10: Atmosferski vplivi na podatkovni signal

Zaradi vplivov, ki jih ima ionosfera na podatkovni signal, pride do odklona širjenja signala

skozi ionosfero in do napake pri pozicioniranju sprejemnika. Glavna naloga ionosfere je

odbijanje elektromagnetnih valovanj, ki prihajajo iz vesolja. Ionosfero sestavlja veliko

število prostih elektronov in pozitivno nabitih ionov, ki zaradi sončnega sevanja

povzročajo odklon podatkovnih signalov. Zaradi ionizacijskega sončnega sevanja so ti

prosti elektroni in ioni združeni v štiri različne plasti, ki nenehno odbijajo radijske valove

iz satelitov in poskrbijo za daljše poti in čase signalov. Ti odkloni se pojavijo v ionosferi,

ki je območje 80-400 km nad zemeljskim površjem in so odvisni od ultravijoličnih in

drugih kratkovalovnih žarkov. Ker je ionosfera spreminjajoča, je odvisna od položaja

Sonca glede na Zemljo in se nenehno spreminja glede na čas v dnevu, glede na letni čas in

glede na aktivnost Sonca. Vse te napake, ki nastopijo pri prehajanju signala skozi ionosfero

in troposfero, se s pomočjo kalkulacij odpravijo v sprejemniku. Odstopanja hitrosti

potovanja signala, ki nastajajo pri prenosu visokih in nizkofrekvenčnih signalov, so znana

v splošnih pogojih in se tako lahko upoštevajo pri preračunavanju pridobljenih podatkov.

Pri potovanju elektromagnetnih valov skozi ionosfero se hitrost potovanja signala

zmanjšuje obratno sorazmerno s kvadratom vrednosti frekvence. Kar drugače pomeni, da

so nizke frekvence, ki potujejo skozi ionosfero počasnejše od visokih frekvenc. Z

merjenjem časa, ki je potreben da prispeta do sprejemnika dva nosilna signala iz satelita

(L1 in L2 različnih frekvenc), lahko matematično določimo elongacijo4 signala, ki je nastala

zaradi potovanja signala skozi ionosfero [41].

Potovanje signala skozi troposfero zaradi lomljenja poti, ki jo opravi signal od satelita do

sprejemnika, prav tako predstavlja del napake pri pozicioniranju sprejemnika. V troposferi

pride do odmika in lomljenja signala zaradi različnih vremenskih vplivov in elongacije, ki

nastopi ob prehodu signala skozi različne gostote vodnih hlapov v zraku. Vpliv gostote

vodnih hlapov v zraku na odklon signala je manjši kot odklon signala v ionosferi, vendar

ga je potrebno prav tako upoštevat pri izračunu popravka napake [20] [41].

Slika 2-11: Pozicioniranje sprejemnika brez in s popravkom atmosferskih vplivov [15]

Na zgornji sliki je prikazano najprej pozicioniranje sprejemnika z upoštevanjem

enofrekvenčnega signala in atmosferskimi vplivi na odklon signala. Vidimo, da je

natančnost lokacije skoraj 100 metrov oddaljena od prave pozicije sprejemnika. Z uvedbo

dvofrekvenčnega signala in s tem tudi popravkom atmosferskih vplivov na potovanje

signala skozi atmosfero je natančnost lokacije bistveno večja. Odstopanje izmerjene

pozicije od prave pozicije sprejemnika je tako bistveno manjše. Za doseganje večje

natančnosti navigacijskih sprejemnikov so ob izračunavanju pozicij sprejemnika

4 elongácija -e ž (á) astr. s kotnimi merami izražena navidezna oddaljenost planeta od Sonca

Stran 27

upoštevani še podatki o vremenskih razmerah, ki jih omogoča implementacija WAAS5 in

EGNOS6 podatkov. Ti zajemajo trenutna stanja vremenskih razmer za področje, kjer se

trenutno sprejemnik nahaja in se uporabljajo za izračun natančne lokacije [41®].

2.6.4 Usklajevanje ur in zaokroževanje napak

Ker so sateliti, ki se trenutno uporabljajo za navigacijo in satelitsko pozicioniranje,

opremljeni z atomskimi urami, katerih natančnost je razreda 10-9 sekunde, sprejemniki pa

so opremljeni s kvarčnimi urami, katerih natančnost je približna 10-3 sekunde, prihaja

posledično do odstopanja od realne pozicije sprejemnika. Za minimaliziranje tovrstne

napake si sprejemnik pomaga še s podatki pridobljenimi od četrtega satelita. Tako se ura v

sprejemniku sinhronizira s časom, ki ga prikazujejo atomske ure. Ker pa kvarčne ure že

same po sebi povzročajo napako lociranja sprejemnika, je le-ta z naknadno računalniško

obdelavo rezultatov meritev in spremembo faze nosilnega signala zmanjšana na najmanjšo

možno vrednost in tako vpliva na točnost lokacije v razdalji enega do dveh metrov.

2.6.5 Napake merjenja atomskih ur zaradi gravitacijskih sil

Ker sateliti krožijo okrog Zemlje in so s tem podvrženi privlačni sili Zemlje, se z

upoštevanjem gravitacijskih teorij pojavijo napake, ki so jim podvržene atomske ure

vgrajene v satelitih. Prav tako je potrebno upoštevati, da se tudi gravitacijsko polje Zemlje

spreminja glede na zemljepisno širino in dolžino površja.

Ker ob upoštevanju relativnostne teorije Alberta Einsteina, ki pravi, da čas teče počasneje

bližje je gravitacijski točki, prihaja do netočnosti časa atomskih ur glede na ure, ki se

nahajajo na zemeljski površini, lahko posplošimo, da čas atomskih ur v satelitih teče hitreje

kot pa čas atomskih ur na Zemlji. To ob upoštevanju hitrosti, s katero krožijo navigacijski

sateliti okrog Zemlje, privede do zaostanka časa atomskih ur, vgrajenih v satelite, za

5 WAAS – eng. Wide Area Augmentation System – je bila sprva razvita za pomoč v letalstvu, kjer je ob

upoštevanju trenutnih vremenskih razmer omogočeno lažje in varneje letenje

6 EGNOS – eng. European Geostationary Navigation Overlay Service – je sistem razvit za pošiljanje

podatkov o napakah in popravkov satelitskim navigacijskim sistemom

približno 7 μs/dan. Ker pa sateliti krožijo v orbiti okrog Zemlje, ki je podvržena mnogo

manjši gravitacijski sili, pa atomske ure na satelitih prehitevajo za približno 45 μs/dan.

Tako lahko zaključimo, da zaradi relativne hitrosti kroženja satelitov in zaradi manjše

relativne privlačne sile ure, ki je v satelitih, le-ta prehiteva atomsko uro na Zemlji za okrog

38 μs/dan. Ta napaka se upošteva že pri sami izstrelitvi navigacijskih satelitov in se

odpravi s tem, da so atomske ure nastavljene z zamikom [5] [41].

Iz zapisanega lahko tako sklepamo, da je točnost ur izjemnega pomena za določanje

natančnih lokacij z navigacijskim sprejemnikom. Za sprejemljivo natančnost določanja

pozicije pa je potrebna usklajenost ur na najmanj 20 – 30 nanosekund, zato je potrebno

upoštevati tudi hitrost gibanja satelitov v svoji orbiti, ki znaša nekje približno 12000 km/h.

Znano je, da čas teče počasneje v točki, ki se giblje zelo hitro. Ker hitrost satelitov znaša

približno 3874 m/s, čas atomskih ur teče počasneje gledano iz Zemlje, kot pa teče čas na

površju Zemlje. Takšna časovna razširitev vodi do netočnosti atomskih ur do 7,2

mikrosekunde na dan [5] [41].

Relativnostna teorije prav tako trdi, da se čas spreminja z velikostjo gravitacijske sile, ki

vpliva nanj. Za opazovalca, nekje na površini Zemlje, čas atomskih ur teče hitreje na

satelitih, ki krožijo okrog Zemlje na višini 20000 kilometrov kot pa čas na površju Zemlje.

S tem so sateliti podvrženi dosti manjšim gravitacijskim silam Zemlje kot pa objekti na

površju. Ta efekt je šestkrat večji od efekta hitrosti kroženja satelitov [5] [41].

Zaključimo lahko, da atomske ure na navigacijskih satelitih tečejo hitreje kot atomske in

druge ure na površju Zemlje, opazovano s površja Zemlje. Časovni premik za opazovalca

na površju Zemlje v tem primeru znaša nekje okrog 38 milisekund na dan, kar povzroča

skupno razdaljo netočnosti pozicioniranja v višini 10 kilometrov na dan. Za odpravo

nenehnega popravljanja te napake časa, zaradi hitrosti kroženja satelitov in gravitacijske

privlačne sile, so atomske ure pred izstrelitvijo nastavljena na frekvenčno vrednost

10.229999995453 MHz namesto na 10.23 MHz. S takšno nastavitvijo atomskih ur je

napaka zaradi hitrosti in gravitacijske sile dokončno odpravljena [5] [20] [41].

Drugi relativistični efekt, ki vpliva na natančnost pozicioniranja navigacijskega

satelitskega sistema, je tako imenovan Sagnacov efekt. Sagnacov efekt nastopi ob

upoštevanju gibanja opazovalca, ki se nahaja na površju Zemlje, zaradi vrtenja Zemlje

okrog svoje osi. To ima za posledico gibanje mirujočega opazovalca s hitrostjo kroženja

Stran 29

Zemlje okrog svoje osi. Govorimo o posledici rotacije Zemlje in hitrosti svetlobe. Efekt

ima zanemarljivo majhen vpliv na končno natančnost pozicioniranja sprejemnika in se v

glavnem pri uporabi navigacije v osebne in komercialne namene ne upošteva. Zaradi svoje

kompleksnosti in upoštevanja parametrov, kot so natančen položaj sprejemnika na Zemlji,

hitrost gibanja sprejemnika po površju, oddaljenost od ekvatorja, kjer je najhitrejša hitrost

rotacije sprejemnika glede na točko zunaj astronomskega telesa približno 500 m/s, se tako

vpliv, ki ga ima Sagnacov efekt na navigacijo, upošteva samo, kadar se navigacija

uporablja v vojaške namene ali pa v posebnih primerih [5] [41].

Tabela 2-2: Vrsta in velikost napak [5]

Tabela prikazuje približne vrednosti odstopanja od točne pozicije sprejemnika. Odstopanja

so posledica napak, ki se pojavijo ob satelitskem navigacijskem sistemu za pozicioniranje

in določanje lokacij.

2.7 Referenčne navigacijske postaje na ozemlju Slovenije

V primerih, kadar je za pozicioniranje potrebna visoka natančnost, se uporabniški

navigacijski sistem lahko nadgradi, in sicer se poveže z obstoječim permanentnim

omrežjem referenčnih navigacijskih postaj. Položaj teh referenčnih postaj je natančno

določen. S pomočjo nadzornega centra in s primernim programskim orodjem omogoča

določanje natančnosti položaja v razredu 0,5 metra ali še manj.

Na ozemlju Republike Slovenije se je z letom 2006 končala vzpostavitev omrežja

permanentih referenčnih postaj GPS z imenom SIGNAL7. Cilj vzpostavitve in izgradnje

omrežja referenčnih postaj je nadgraditev in izboljšanje obstoječega državnega

koordinatnega sistema in vpeljava možnosti integracije omrežnega sistema v širše okolje.

Sistem je sedaj povezljiv z delujočim evropskim sistemom mreže geodetskih točk EUREF8

in predstavlja korak bližje k nastanku multimodalnega in interdisciplinarnega

navigacijskega sistema, ki bo s pomočjo novejše in zmogljivejše tehnologije združeval v

celoto satelitski, kontrolno-nadzorni in uporabniški sistem [6] [44].

Slika 2-12: Omrežje permanentnih referenčnih GPS postaj v RS [45]

Prehod evropskega satelitskega navigacijskega sistema GALILEO iz prehodne faze v

popolno delujoč svetovni satelitski navigacijski sistem bo prinesel možnost medsebojne

povezave interoperabilnih sistemov satelitske navigacijske tehnologije GALILEO s

sistemom mobilne telekomunikacijske tehnologije GSM, z drugimi satelitskimi svetovnimi

navigacijskimi sistemi, kot je GLONASS in možnost povezave z zemeljskim omrežjem

geodetskih premanentnih referenčnih GPS postaj, kot je SIGNAL [6] [44].

7 SIGNAL – angl. SlovenIa-Geodesy-NAvigation-Location 8 EUREF – angl. European Reference Frame

Stran 31

3 MOBILNO OMREŽJE GSM IN TEHNOLOGIJA GPRS

Za brezhibno delovanje in opravljanje spremljanja oziroma sledenja vozila9 ni dovolj samo

vgradnja sprejemnika navigacijskega satelitskega signala, ampak je potrebna tudi

infrastruktura, ki podpira medsebojno komuniciranje in izmenjevanje podatkov med

sprejemnikom in nadzornim oziroma kontrolnim centrom. Za povezavo vozila

opremljenega z napravo za sledenje vozil z uporabnikom oziroma skrbnikom voznega

parka ali nadzornim centrom se v ta namen uporablja izgrajena telekomunikacijska

infrastruktura mobilnega telefonskega omrežja. S pomočjo prenosa podatkov preko

mobilnega telefonskega omrežja GSM in uporabo protokola GPRS je tako vzpostavljena

povezava med vozilom in nadzornikom.

3.1 Razvoj sistema GSM

Z razvojem mobilnega omrežja namenjenega komuniciranju uporabnikov brez uporabe že

obstoječe stacionarne komunikacijske mreže so leta 1991 pričeli z razvojem mobilne

tehnologije brezžične komunikacije. GSM tehnologija je poskrbela za vrsto tehnoloških

prednosti v primerjavi z uporabo stacionarnega omrežja. Z razvojem digitalnega mobilnega

telefonskega sistema, ki je hkrati postal kompatibilen z že integriranim digitalnim

stacionarnim omrežjem ISDN, so osnovnemu mobilnemu komunikacijskemu servisu

dogradili večje število dodatnih servisov, ki so dandanes nepogrešljivi osnovni gradniki

tehnologije v telematiki in logistiki v prometu. Njen najosnovnejši namen oziroma servis,

ki ga sistem mobilne telefonije in komunikacijske tehnologije omogoča, je nedvomno

telefonija v digitalni obliki med dvema ali več uporabniki mobilnega omrežja naenkrat.

Drug tehnološko izredno razširljiv in uporaben servis mobilne tehnologije je prenos

digitalnih podatkov, ki za razliko od enosmernega analognega omrežja omogoča

9 ang. Vehicle Tracking

dvosmerno komuniciranje med uporabniki. Z nadgradnjo in uporabo različnih metod ter

protokolov tak mobilni sistem omogoča povezljivost v druga omrežja, kot je svetovni splet,

in prav zaradi tega je nepogrešljiv člen v telematiki, ki predstavlja komunikacijo in prenos

podatkov med prevoznim sredstvom in glavnim nadzornim sistemom v primeru sledenja

vozil in drugih prometnih sredstev ter blaga in tovora [5].

Prva taka mobilna omrežja so se začela pojavljati leta 1991 in v današnjem času

predstavljajo najbolj razširjeno in uporabljeno vrsto mobilne komunikacije na svetu. Od

pričetka leta 1991 do prve polovice leta 2004 je to tehnologijo uporabljala že 1 milijarda

uporabnikov po celem svetu, danes jo uporablja že približno 3 do 3,5 milijarde

uporabnikov oziroma skoraj vsak drugi človek na svetu [5] [47].

Pričetki razvoja GSM sistema predstavljajo razvoj druge generacije mobilne

telekomunikacijske tehnologije, le-ti pa so osnovi gradniki razvoja naslednje - tretje

generacije mobilne tehnologije (3G). Glavni cilj razvoja tehnologije druge generacije

mobilne telekomunikacije je bil izdelava sistema, ki bi zagotavljal večjo kapaciteto od

predhodnega analognega sistema. GSM sistemu je to uspelo z uporabo digitalne

tehnologije, ki frekvenčni spekter pretvori v več časovnih oken in s tem omogoča prenos

podatkov ali govora sočasno s samo eno radijsko frekvenco ali TDMA (angl. Time

Division Multiple Access – slo. časovno porazdeljeni dostop) ter sistemom FDMA (angl.

Frequency Division Multiple Access – slo. frekvenčno porazdeljeni dostop) ali s sistemom

široko frekvenčnega spektra, ki razdeli celoten razpoložljiv frekvenčni spekter na več

manjših frekvenčnih kanalov, preko katerih se lahko nato prenašajo govor ali podatki [5]

[7] [16].

3.2 Delovanje sistema in tehnologija GSM mobilne telekomunikacije

Primarni funkciji GSM sistema sta nedvomno digitalni prenos govora in podatkov. S

pomočjo uporabe digitalne tehnologije in digitalne obdelave signala sistem omogoča tudi

nekaj novih mobilnih storitev, ki jih predhodna generacija analogne tehnologije ni zmogla.

Sistem je z uporabo digitalizacije signala uvedel podporo prenosa tekstovnih sporočil,

prenos datotek, podporo globalnemu sledenju, kompatibilnost in zmožnost povezave s

Stran 33

stacionarnim telekomunikacijskim omrežjem in odprtost sistema za kasnejšo nadgradnjo in

dopolnitev.

Delovanje mobilnega brezžičnega telekomunikacijskega sistema GSM temelji na

zgrajenem omrežju, ki ga sestavlja omrežje baznih komunikacijskih postaj ali BTS postaj

(angl. Base Transceiver Station). Skupino teh baznih komunikacijskih postaj upravlja in

nadzoruje bazna nadzorna postaja ali BSC postaja (angl. Base Station Controller) [47] [51].

Slika 3-1: Arhitektura mobilnega telekomunikacijskega sistema GSM [53]

Nek podsistem baznih komunikacijskih postaj je izredno obsežen in omogoča simultani

priklop več mobilnih enot v omrežje, kjer dodeljena nadzorna postaja za skupino baznih

celic priskrbi komunikacijske podatkovne kanale za povezavo mobilnih enot z omrežjem

in poskrbi za nemoteno preklapljanje med različnimi komunikacijskimi postajami.

Z uporabo standardiziranega vmesnika so bazne nadzorne komunikacijske postaje

povezane s komutacijskimi centri mobilne telefonije ali MSC (angl. Mobile Switching

Centre) z uporabo stalnih povezav v obliki optičnega omrežja. Vsak tak komutacijski

center oziroma sistem je označen s svojo identifikacijsko številko, ki jo uporabniki poznajo

kot klicno številko mobilnega sistema. Naloga teh komutacijskih centrov je omogočanje

klicanja in predajanje klicnih povezav na pravilne naslove ter obračunavanje posredovanja

klicnih ter drugih storitev uporabe mobilnega omrežja. Center mobilne telefonije prav tako

preverja avtoriziranost uporabnikov sistema s kontrolo uporabniških naročniških modulov

ali s preverjanjem identitetnih modulov mobilnih uporabnikov z oznako SIM (angl.

Subscriber Identity Modul). Za omogočanje opravljanja klicev ter prenosa podatkov v in iz

mobilnega omrežja skrbi vmesnik GMSC (angl. Gateway Mobile Switching Centre). Da pa

se lahko neko mobilno telekomunikacijsko omrežje poveže z že obstoječimi ostalimi

omrežji (ISDN, Internet, javno stacionarno telefonsko omrežje), poskrbi prav tako GMSC

vmesnik [5] [47] [51].

Ena izmed nalog komutacijskega centra je nadzor in kontrola položaja uporabnika v

mobilnem omrežju. Ker sistem omogoča neprekinjeno uporabo mobilnega omrežja tudi

med spreminjanjem lege uporabnika brez nastanka napak ali prekinitev, se komutacijski

center poslužuje različnih kontrolnih vmesnikov, ki sestavljajo celoten sistem mobilnega

omrežja. Ker uporabnik mobilnega omrežja konstanto preverja jakost signala, sprejema

signal baznih komunikacijskih postaj in zmeraj izbere postajo, ki je najbližja in ima

posledično tudi najmočnejši signal, je naloga komutacijskega centra nenehno spremljanje

uporabnika. Le-ta konstantno prehaja iz območja ene bazne komunikacijske postaje v

območje druge, komutacijski center pa poskrbi za nemoteno povezavo uporabnika z

drugim uporabnikom ali za povezavo v drugo telekomunikacijsko omrežje. Ker pa število

uporabnikov mobilnega omrežja konstantno narašča, in ker je število povezav uporabnikov

na neko določeno bazno komunikacijsko postajo omejeno, MSC center poskrbi za

preseljevanje uporabnikov na še proste kanale baznih komunikacijskih postaj, ki

zagotavljajo najmočnejši možni signal. Ob vzpostavitvi povezave uporabnika, s tem pa

prenosom pogovora, govornega sporočila, kratkega tekstovnega sporočila, prenosa

podatkov z drugim uporabnikom mobilnega omrežja ali uporabnikom, ki se nahaja v

drugem komunikacijskem omrežju, komutacijski center določi prost kanal, na katerem bo

lahko prišlo do povezave. Z implementacijo registra naročnikov ali HLR register (angl.

Home Location Register) in registra obiskovalcev ali VLR register (angl. Visitor Location

Register) v sistem mobilnega telekomunikacijskega omrežja so po teh kanalih posredovane

od centra preko baznih komunikacijskih postaj tudi informacije o uporabnikih, ki jih

uporabnik vidi kot identifikacijo dohodnega klica, kot identifikacijo dohodne podatkovne

linije ali kot kak drug kontrolni identifikacijski element [5] [47].

Stran 35

3.3 Nadgradnja mobilnega omrežja s GPRS tehnologijo

Po razširitvi mobilnega telekomunikacijskega sistema na globalni ravni so prišle tudi

zahteve in predlogi po zmogljivejši širokopasovni povezavi in omogočanju večjih in

hitrejših prenosih podatkov ter drugih nadgradnjah mobilnega omrežja. Tako je prišla

nadgradnja druge generacije mobilne telefonije oziroma gradnik in pokazatelj smernic

razvoja naprednejše tretje generacije ali 3G mobilne telefonije in tehnologije.

Glavni mejnik nadgradnje druge generacije mobilne telekomunikacijske tehnologije GSM

predstavlja vpeljava pošiljanja in prejemanja podatkovnih paketov ali uvedba GPRS

tehnologije (angl. General Packet Radio Service). Ker lahko uporabnik preko običajnega

mobilnega GSM klicnega podatkovnega telekomunikacijskega dostopa doseže maksimalno

hitrost prenosa podatkov 9,6 kbit/s, je z nadgradnjo sistema s HSCSD, GPRS in EDGE

tehnologijo hitrost prenosa podatkov preko omrežja drastično narastla [47] [51].

Pri razvoju mobilnega telekomunikacijskega omrežja GSM je glavno nalogo predstavljala

povezanost in prenos govora tako v fiksnem kakor tudi v mobilnem omrežju. Z vedno

večjo razširjenostjo in uporabo svetovnega spleta pa se je pojavilo večje povpraševanje po

prenosu podatkov in kompatibilnosti z ostalimi omrežji, predvsem s svetovnim spletnim

omrežjem Internet. Z razvojem paketnega prenosa podatkov in s tem nadgradnjo

mobilnega telekomunikacijskega omrežja se je uveljavil sistem GPRS, ki je omogočil

povezavo mobilnih uporabnikov sistema z drugimi omrežji in dostop do vsebin svetovnega

spleta ter prenos podatkov med omrežji z večjo hitrostjo, kot jo je dopuščalo mobilno GSM

omrežje.

Slika 3-2: Arhitektura GPRS omrežja

Nek podsistem baznih komunikacijskih postaj je izredno razsežen in omogoča priklop več

mobilnih enot simultano v omrežje, kjer dodeljena nadzorna postaja za skupino baznih

celic priskrbi komunikacijske podatkovne kanale za povezavo mobilnih enot z omrežjem

in poskrbi za nemoteno preklapljanje med različnimi komunikacijskimi postajami [7] [47].

Stran 37

4 NAČIN DOLOČANJA POLOŽAJA VOZILA

Za natančno določanje položaja nekega vozila v prostoru je potrebna vgradnja mobilne

navigacijske enote. V kolikor gre samo za nadzor vozila in sistem sledenja vozila na terenu

je vgradnja te mobilne enote v vozilo dovolj za spremljanje opravljenih poti in sledenje

vozilu v realnem času s prikazom na digitalni karti. Tak način sledenja vozila, ko je enota v

vozilu skrita, se po navadi uporabi v primerih, ko nadzorni center ne želi, da voznik vozila

vé za vgrajeno mobilno napravo. Na enak način uporabe sledenja vozila pa lahko naletimo

v primeru prevažanja vrednostnih predmetov in denarja kakor tudi pomembnih oseb.

Glavna naloga nadzornega centra oziroma osebe, ki spremlja tak prevoz, je ugotavljanje

trenutnega položaja vozila in kontrola pridobljenih podatkov iz mobilne enote, v primeru

morebitnih težav pa tudi takojšnje ukrepanje.

V večini primerov, ko govorimo o procesu sledenja vozila v prometu, pa je skupaj z

mobilno enoto v vozilo vgrajen še uporabniški terminal, ki je viden v sami kabini vozila.

Ta omogoča vzpostavitev komunikacijske linije med voznikom oziroma uporabnikom in

nadzorno kontrolnim centrom. Terminal lahko posreduje vozniku vse potrebne ažurirane

informacije glede prometa in stanja na cestah, navodila o postopku dostave ali prevzemu

tovora, nudi pomoč vozniku ob nastanku tehničnih težav in omogoča govorno

komuniciranje z nadzornim centrom.

Brez delujočega nadzornega centra, ki zbira in obdeluje vse pridobljene informacije iz

mobilne naprave in senzorike na vozilu, pa je za sledenje vozil in nadzor voznega parka

vsa priklopljena periferija in strojna oprema neuporabna. Nadzorni center prinaša v celoten

sistem stabilnost in kakovost ter fleksibilnost v upravljanju flote vozil v podjetju. S svojim

delovanjem omogoča dodaten nivo varnosti tako uporabniku oziroma vozniku vozila kot

tudi blaga pri transportu in prevozu oseb v javnem potniškem prometu.

4.1 Sledenje vozila na ozemlju Republike Slovenije

Celoten sistem sledenja vozil lahko razdelimo v tri podsisteme. Prvi podsistem sestavlja

navigacijski del sledenja vozila, ki je sestavljen iz satelitskega dela, iz mobilnega omrežja

v prostoru in strojne opreme vgrajene v vozilo. Drugi podsistem ali nadzorni podsistem je

sestavljen iz kontrolnega nadzornega centra in strežnikov. Ta podsistem predstavlja glavni

člen v celotnem sistemu. Njegova primarna naloga je usklajeno delovanje vseh komponent

in odpravljanje možnih nastalih napak. Zadnji podsistem zajema uporabniški del, ki ga

sestavljajo naprave, ki omogočajo dostop do informacij nanašajočih se na prevoz tovora ali

oseb v prometu ter omogočajo komunikacijo z voznikom ali mobilno enoto preko

nadzornega centra.

Slika 4-1: Arhitektura sistema za sledenje vozila

Satelitski sistem sestavlja celotna konstelacija navigacijskih satelitov GPS sistema, ki jo bo

v prihodnosti nadomestil naprednejši evropski navigacijski satelitski sistem GALILEO.

Drugi del navigacijskega podsistema je postavljeno omrežje mobilnih postaj operaterjev

mobilne telefonije s podporo in omogočanjem prenosa podatkov, ki posledično omogoča

medsebojno komunikacijo vseh delov sistema s pomočjo GPRS/UMTS tehnologije. Na

ozemlju Slovenije je trenutno glavni in največji ponudnik mobilnih tehnologij podjetje

Stran 39

Mobitel d.d., ki s svojim zgrajenim omrežnim sistemom ponuja način za nemoteno

komuniciranje med enoto in nadzornim centrom ter uporabniki sistema preko prenosa

podatkov z GPRS tehnologijo ali prenosa SMS sporočil in govora preko mobilnega

omrežja.

Nadzorni center predstavlja srce celotnega sistema, saj shranjuje in akumulira vse

pridobljene podatke iz mobilne enote ter jih arhivira. Tako ostanejo podatki dostopni tudi

po končanem procesu sledenja. Podatki so pomembni in primerni za obdelavo in pripravo

analiz ter optimizacijo voznega parka, s čimer pa se zmanjšajo stroški povezani z

organiziranjem prevozov in logističnih procesov povezanih s prevozom v tovorniškem,

cestnem, železniškem ali vodnem prometu kakor tudi v javnem ali zasebnem potniškem

prometu.

Uporabniški podsistem je namenjen vsem uporabnikom sistema, saj je njegova primarna

naloga prikaz pridobljenih podatkov iz mobilne naprave ter podajanje informacij in

komunikacija z uporabnikom sistema. Dostop do podatkov je mogoč preko spleta s

pomočjo primerne programske opreme, preko mobilne tehnologije z dostopom do

internetnih vsebin in nazadnje z vgrajenim uporabniškim terminalom v vozilu, ki

predstavlja komunikacijsko vez med nadzornim centrom in voznikom vozila, v katerem je

vgrajena mobilna enota.

4.2 Vgrajena strojna oprema za sledenje vozila

Pozicioniranje in sledenje vozila v realnem času je možno samo s pomočjo vgrajene

ustrezne strojne opreme v vozilu. Zraven mobilne enote pripada k obvezni vgrajeni strojni

opremi še antena za prenos podatkovnih signalov. Obstaja pa še dodatna periferna oprema,

ki jo je možno priključiti na vhodno-izhodne priključke mobilne enote. Za pridobivanje

podatkov o hitrosti samega vozila, o količini oziroma trenutni in skupni porabi goriva, o

vrtljajih agregata, ki poganja vozilo, in še mnogo drugih informacij o vozilu omogoča

priključitev mobilne enote na avtodiagnostični sistem vozila ali OBD priključek.

Pridobivanje podatkov, kot so na primer trenutna obtežitev natovorjenega vozila, trenutna

temperatura v kontejnerju za prevažanje živil in pokvarljivega blaga, kontrola odprtosti

vrat na samem kontejnerju ali pokrova na posodi za gorivo, pa je možno s priključitvijo

merilnih senzorjev na enoto. Zadnji člen vgradne opreme je uporabniški terminal, ki

omogoča direktno komunikacijo voznika z nadzornim centrom s pomočjo govora, prenosa

tekstovnih sporočil ali posredovanja slikovnih podatkov in informacij.

Slika 4-2: Vgrajena strojna oprema za sledenje osebnega vozila

4.2.1 Mobilna enota in njene naloge ter funkcije

Glavna naloga v vozilo vgrajene mobilne enote je nedvomno pridobivanje in obdelava

vseh informacij povezanih z delovanjem vozila in prenos le-teh v nadzorni center. Prav

tako je naloga enote brezhibna komunikacija med vsemi priklopljenimi vhodno-izhodnimi

napravami in shranjevanje pridobljenih podatkov.

Stran 41

Slika 4-3: Mobilna enota za sledenje vozil podjetja Telargo d.o.o. [22]

Z neprekinjeno komunikacijo in izmenjavo podatkovnih veličin z nadzornim centrom

enota poskrbi za natančno pozicioniranje vozila s pomočjo GPS modula ter s pomočjo

vgrajenega GSM modema in SIM kartice omogoča izmenjavo GPRS podatkov, GSM

podatkov, tekstovnih sporočil. Enota predstavlja odprt sistem sledenja vozil, kar pomeni,

da lahko na mobilno enoto priklopimo celotno senzoriko osebnega vozila s podporo OBD

in CAN podatkovne povezave med enoto in centralnim računalnikom osebnega vozila. To

omogoča dostop do podatkov o trenutni hitrosti vozila, o številu vrtljajev motorja, o

trenutni in skupni porabi goriva, o pospeških in pojemkih vozila med gibanjem, o

prevoženih kilometrih, o temperaturi motorja, o vrednosti tlaka turbine in še mnogo drugih

diagnostičnih podatkov vozila. Vsi pridobljeni podatki se arhivirajo v internem pomnilniku

ali pa na izmenljivo spominsko kartico in se ob zahtevi tudi prenesejo preko mobilnega

omrežja na nadzorni center. Še en pomemben del arhitekture mobilne naprave predstavlja

elektronski giroskop, čigar naloga je podajanje pravilne pozicije vozila v primeru slabe

pokritosti navigacijskih satelitov in pri vožnji skozi urbana naselja, kjer velikokrat pride do

razpotij podatkovnih satelitskih signalov zaradi odboja signala od visokih zgradb in drugih

predmetov, ki lahko ovirajo direktno povezavo s satelitom in tako zvišujejo možnost

nastanka prekinitve navigacijskega signala. Z GPS / GSM modulom in direktno povezavo

z giroskopom lahko za vsak trenutek vožnje pridobimo podatek o lokaciji vozila in kaj se v

tistem trenutku z vozilom dogaja. Vsi ti podatki o vozilu in lokaciji se s podatki zbranimi z

vhodno-izhodnim regulatorjem konstantno prenašajo na nadzorni center in se shranjujejo

na strežniku, kjer so dostopni za kasnejšo analitično obdelavo in izdelavo analiz ter poročil

še dalj časa.

4.2.2 Uporabniški terminal v kabini vozila

V primerih uporabe sledenja vozila za nadzor voznega parka in komunikacijo z voznikom

je uporabniški terminal edini način, s katerim lahko nadzorni center neposredno

komunicira z voznikom med postanki ali kar med vožnjo, če odmislimo vgradnjo sistema

za prostoročno klicanje, kar pa predstavlja še dodaten in odvečen strošek. Uporabniški

terminal je lahko alternativna nadomestitev prostoročnega sistema, saj ponuja enake

storitve in je nadgradljiv z ostalo strojno ter programsko opremo.

Slika 4-4: Uporabniški terminal podjetja Telargo d.o.o. vgrajen v notranjosti vozila [49]

Razvoj tehnologije je omogočil razvoj naprednejših in sodobnejših uporabniških

terminalov, ki sedaj omogočajo tudi grafični prikaz podatkov in sporočil poslanih iz

nadzornega centra. Prav tako je s pomočjo vgradnje multifunkcijskih in na dotik

občutljivih zaslonov prišlo do zmanjšanja terminalov.

Stran 43

Preko uporabniškega terminala lahko nadzorni center obvešča voznika o nastalih

spremembah v realnem času in tako pripomore k optimizaciji transportnega procesa. S

pošiljanjem tekstovnih sporočil preko mobilnega omrežja ali z direktnim klicem na

uporabniški terminal lahko center v trenutku pomaga rešiti nastali problem ali pa voznika

napoti na drugo lokacijo za prevzem ali dostavo blaga.

V primeru prometnih nezgod ali ob nastanku drugih tehničnih ali varnostnih težavah je

uporabniški terminal opremljen tudi s tipko SOS. Ob pritisku gumba za pomoč v sili se v

nadzornem centru sproži alarm in kontrolor prejme obvestilo o klicu na pomoč, kraju, kjer

se vozilo v danem trenutku nahaja, podatke o prijavljenem vozniku, podatke o vozilu in

posledično lahko primerno ukrepa, v skrajnem primeru pa tudi obvesti primerne institucije.

V primeru, ko eno vozilo uporablja več različnih voznikov, pa so terminali opremljeni tudi

s čitalniki RFID kartic. S tem je poenostavljeno evidentiranje voženj voznikov in

opravljenih delovnih ur, kar omogoča lažje kreiranje poročil o opravljenih prevozih,

pregled dnevnih aktivnosti voznikov ter lažje upravljanje s stroški flote vozil opremljenih z

mobilnimi enotami.

4.2.3 Podatkovna OBD-II in CAN povezava z vozilom

OBD-II vmesnik z uporabo primernega CAN protokola omogoča prenos diagnostičnih

vrednosti in merilnih informacij iz vozila do nadzornega centra. Vozilo mora biti

opremljeno s primernim OBD konektorjem, na katerega priključimo mobilno enoto.

Slika 4-5: OBD-II priključek v vozilu in podatkovna povezava z mobilno enoto [49]

Preko OBD vmesnika pridobljene podatke o hitrosti vozila, o prevoženi poti in pospeških

ter pojemkih lahko kasneje uporabimo tudi za natančnejše lociranje in spremljanje vozila

preko nadzornega centra. Podatki o vrtljajih agregata vozila, o temperaturi in ostali

senzoriki pa pomagajo pri telemetriji vozila.

4.2.4 GPS/GSM antena

Za najboljši možni GPS signal je na vozilu vgrajena še zunanja GPS antena. Njen

frekvenčni razpon omogoča tako prenos mobilnih kot tudi navigacijskih podatkov z

nadzornim centrom.

Slika 4-6: Aktivna GSM/GPS DUPLEX zunanja antena podjetja Telargo d.o.o. [49]

Za prenos podatkov pa se lahko uporabi tudi v vozilu že vgrajena antena, ki omogoča

sprejem GPS signala in prenos GPRS podatkov preko mobilnega omrežja.

4.2.5 Senzorji in druge zunanje naprave

Vsi dodatno vgrajeni senzorji so direktno priključeni na mobilno enoto. Skupino teh nekaj

glavnih priključenih senzorjev sestavljajo senzor za obtežitev vozila, temperaturni senzor

kontejnerja, senzor odprtosti vrat, senzor za pokrov na posodi za gorivo in čitalec RFID

kartic.

Vse pridobljene senzorske vrednosti je možno v nadzornem centru analitično obdelati in

predstaviti tudi grafično ter na zemljevidu prikazati natančno lokacijo, kjer se je v danem

trenutku nahajalo vozilo. Uporabniku nadzornega centra in skrbniku voznega parka tako

telemetrija omogoča spremljanje merjenih vrednosti na daljavo preko povezave

nadzornega centra z vgrajeno mobilno enoto.

Stran 45

4.3 Nadzorno kontrolni center

Vgrajena mobilna naprava za sledenje vozil in ostala nameščena senzorika za spremljanje

merjenih vrednosti v vozilu so premalo za efektivno analizo in kontrolo opravljenih voženj

ter trenutnega stanja vozil. Pridobljene informacije so brez nadzornega centra, ki poskrbi

za uporabnost in obdelavo pridobljenih podatkov, neuporabne.

Nadzorni center tako združuje vse funkcionalnosti, ki so potrebne za učinkovito vodenje

voznega parka. Ene izmed glavnih funkcij so:

- Natančno pozicioniranje vozil omogoča spremljanje trenutnega položaja vozil v

realnem času s prikazom na digitalnih kartah.

- Analize opravljenih poti in zabeleženih dogodkov, ki jih v realnem času posreduje

vgrajena mobilna enota, s pomočjo katere sistem nudi uporabniku natančno in

izčrpno analizo vseh prevoženih poti v nekem časovnem obdobju skupaj z vsemi

zabeleženimi dogodki. Te zabeležene informacije je možno predstaviti kasneje tako

v tabelarični obliki, kot tudi prikazati na digitalnih kartah nadzornega sistema.

- Komunikacija med voznikom in uporabnikom nadzornega sistema, se lahko izvrši v

obliki telefonskega pogovora ali v obliki tekstovnega komuniciranja preko sporočil

in alarmiranja voznika o vseh nastalih spremembah.

- Senzorika in telemetrija omogočata merjenje želenih parametrov s pomočjo

montiranih senzorjev v vozilu in prenos teh do nadzornega centra, ki omogoča

analize vseh vrednosti različnih veličin v različnih časovnih obdobjih, prikaz teh

tudi na grafu in opozarjanje na preseganje mejnih vrednosti merjenih parametrov.

- Vzdrževanje vozil voznega parka in diagnostika na daljavo sta bistvenega pomena

za podaljševanje življenjske dobe delovnih strojev in vozil, saj sistem beleži

natančno izmerjene podatke o celotnih prevoženih razdaljah, vsoti opravljenih

delovnih ur nekega delovnega stroja in avtomatsko pošilja informacije o nastalih

napakah na vozilu ali stroju ter opozarja na vzdrževanje celotnega voznega parka.

- Izdelava poročil in analize zbranih podatkov omogočajo vodji voznega parka

takojšnji pregled nad trenutnim stanjem parka in efektivnost sistema, s tem pa

hkrati nudijo možnost izboljšanja obstoječega stanja oziroma delovanja ter vodenja

voznega parka.

- Evidentiranje stroškov voznega parka je prav tako eden ključnih elementov

racionalnega in efektivnega vodenja voznega parka na način transparentnega

evidentiranja stroškov. Nadzorni sistem omogoča zbiranje in avtomatski prenos

podatkov, ki se nanašajo na različna plačilna sredstva. Z obdelavo vseh

pridobljenih podatkov pa omogoča razporejanje in pregled stroškov glede na

posamezno enoto ali voznika.

- Povečana varnost in obveščanje predstavljata zadnja dva glavna elementa

nadzornega sistema. Sistem skrbi hkrati za izboljšano in večjo varnost tako vozila

kot tudi voznika s spremljanjem merjenih podatkovnih veličin vozila v realnem

času in obveščanjem voznika preko glasovnega ali tekstovnega sporočanja o svežih

prometnih informacijah in stanju na cestah ter z možnostjo hitrega obveščanja v

primeru nevarnosti ali prometne nezgode.

Slika 4-7: Primer pregleda opravljene poti v nadzornem centru [22]

Stran 47

5 POJAV NAPAK PRI SLEDENJU VOZIL

Sistem sledenja vozil predstavlja najpomembnejši del za uspešno in gospodarno vodenje

voznega parka in za efektivno izkoriščenost vozil v realnem času. Spremljanje prometnih

tokov in obdelava podatkov o trenutni prepustnosti poti ter kontrola stanja v celotnem

prometnem omrežju so zraven interakcije posameznega vozila na terenu z nadzornim

centrom in ostalimi vozili oziroma uporabniki sistema osnovni gradniki za zagotavljanje

kakovosti in uporabnosti sistema.

Za nemoteno in zanesljivo sledenje vozil je ob brezhibnem delovanju vgrajenih

elektronskih naprav in delovanju nadzornega sistema potreben tudi konstanten in nemoten

navigacijski GPS signal. V območjih, kjer prihaja do popačenja oziroma trenutne

prekinitve GPS signala, po navadi v urbanih naseljih z visokimi zgradbami in ostalimi

visokimi objekti, je potrebno zagotoviti sistem, ki v realnem času nadomesti izgubo

navigacijskega signala in s tem prepreči napačen prikaz trenutne pozicije vozila in pregled

opravljene poti. Velik problem vzdrževanja konstantnega satelitskega navigacijskega

signala pa predstavlja vožnja vozila skozi predor, vožnja v garažah, urbana središča z

visokimi zgradbami ter vožnja skozi soteske ali gosto poraščene gozdne predele, kjer

nastane popolna prekinitev signala.

5.1 Izvor napak pri sledenju

V primeru vožnje vozila skozi urbane centre se sprejem navigacijskega podatkovnega

signala prekine zaradi visokih zgradb, ki obdajajo vozilo, in tako okolica prepreči sprejem

signala, ki ga pošiljajo navigacijski sateliti. Tako lahko v primerih sledenja vozil v realnem

času govorimo o popolni prekinitvi podatkovnih signalov ali pa o razpotjih navigacijskih

signalov v smislu odboja podatkovnih navigacijskih signalov od objektov, s čimer pa se

podaljša pot do GPS sprejemnika, vgrajenega v vozilu. Tako naprava postane naenkrat

skrita in ne najde nobenih vidnih satelitov za sprejem GPS signala, pri čemer pa pride do

nastanka anomalij pri prikazu trenutne lokacije vozila oziroma se zabeleži nepravilen

prikaz opravljene poti. V območjih, kjer pride do prekinitve GPS signala, se v večini

primerov zanašanje na pridobitev natančne lokacije vozila s pomočjo uporabe mobilnega

omrežja preko prenosa podatkov s pomočjo GPRS tehnologije izkaže za neuporabno, saj je

vozilo nedosegljivo in skrito tudi za sprejem teh signalov.

Dokler se vozilo, opremljeno z napravo za sledenje, pomika skozi prostor, kjer je sprejem

signala nemoten, izris opravljene poti natančno sovpada s potekom prometnic in ostalimi

prometnimi potmi. V trenutku, ko vozilo zapelje v območje visokih zgradb ter drugih

visokih objektov in konstrukcij, ki za kratek čas prekinejo sprejem navigacijskega signala,

se na izrisu opravljene poti pojavijo napake, ki izstopajo iz obstoječe mreže poteka

prometnih poti v urbanem središču. Izris poteka opravljene poti ne ustreza realni sliki, s

tem pa podatki, ki jih pridobimo na tak način, ne odgovarjajo realnim parametrom o

dolžini opravljene poti, o času trajanja vožnje ter o smeri vožnje vozila v določenem

trenutku.

Slika 5-1: Nepravilen prikaz opravljene poti v urbanem središču [22]

Drugi tak primer nepravilnega prikaza poti in s tem nefunkcionalnega sledenja vozila je

vožnja vozila skozi predor. To velja tudi v primerih vožnje vozil skozi predor ali vožnje v

izven nivojskih prometnih poteh ter več nivojskih in podzemnih garažah, kjer sta sprejem

Stran 49

satelitskega navigacijskega signala in signal mobilnega omrežja onemogočena zaradi

vožnje pod zemeljskim površjem.

Slika 5-2: Nepravilen prikaz opravljene poti skozi predor [22]

Z uporabo strojne opreme za natančno pozicioniranje, opremljene samo z GPS

navigacijskim modulom, vidimo, da ob kratkotrajni prekinitvi navigacijskega signala pride

do velikega odstopanja od realnih vrednosti dolžine prevožene poti, smeri vožnje ter časa

trajanja vožnje, torej podatkov, ki jih pridobimo iz podatkov navigacijske naprave.

Problem natančnega pozicioniranja tako predstavljajo:

- vožnja skozi predor,

- vožnja v podzemnih in več nivojskih garažnih hišah,

- vožnja v urbanih centrih z visokimi zgradbami,

- vožnja v soteskah s strmimi pobočji.

5.2 Nadgradnja sistema za natančno pozicioniranje z INS

Za natančno pozicioniranje in sledenje vozila je uporaba GPS modula premalo učinkovita

in zanesljiva metoda, saj ob izgubi navigacijskega signala prihaja do odstopanj tudi od 200

do 250 metrov vzdolž smeri vožnje.

Slika 5-3: Primerjava zabeležene izmerjene poti z realnim potekom poti [22]

Za zagotavljanje natančnega pozicioniranja se sistem nadgradi z vgradnjo MEMS10 modula

oziroma z vgradnjo mikro elektro-mehanskih senzorjev, ki ob izgubi navigacijskega

signala prevzamejo nalogo zbiranja podatkov o smeri vožnje, o hitrosti vožnje in trenutni

poziciji vozila. Rezultat vgradnje mikro-mehanskih sistemov v smislu uporabe

elektronskih giroskopov in pospeškometrov je občutno manjše odstopanje od realnega

poteka poti, odstopanje se zmanjša do velikosti 10 metrov. Z uporabo analitičnih modelov

pa se odstopanje pri spremljanju vozila v realnem času oziroma njegovo natančno

pozicioniranje še dodatno popravi, tako je prikaz na digitalni karti natančen.

10 MEMS – eng. Micro Elektro-Mechanical Sensor

Stran 51

5.2.1 Mikro Elektro-Mehanski Senzor (MEMS)

Klasični pristop za določanje stanja in pozicije vozila v realnem času nekje v prostoru je

vključitev inercialne senzorike, ki dopolnjuje sistem z merjenjem pospeškov v vseh treh

smereh (x, y, z) ter merjenje kotov zasuka okrog vzdolžne, prečne ter navpične osi vozila.

Tako postane sistem navigacije neodvisen od zunanjih virov in nadomestilo ob izgubi

navigacijskega satelitskega signala. S pravilno in natančno kalibracijo ter inicializacijo

inercialnih senzorjev pridobimo z integracijo pospeškov oceno o trenutni hitrosti vozila in

posledično tudi položaj, z integracijo kotnega nagiba v posamezni smeri pa usmerjenost

vozila v prostoru.

Za pravilno obdelavo in natančnost inercialnih meritev pospeškov in rotacije pa je

potrebno poskrbeti za pravilno korelacijo med inercialnim navigacijskim koordinatnim

sistemom ter lokalnim koordinatnim sistemom. Z uporabo algoritmov in upoštevanjem

Newtonovih zakonov gibanja poskrbimo, da navigacijski koordinatni sistem analitično

prevedemo v koordinate lokalnega koordinatnega sistema, v katerem določamo natančen

položaj vozila.

Pospeškometer je inercialni tip senzorja, s katerim lahko izmerimo velikost pospeška

celotnega INS sistema v smeri ene izmed treh osi x, y ali z. Merilniki pospeška delujejo po

principu upoštevanja drugega Newtonovega zakona F = m · a , kjer velja, da sila F, ki

deluje na maso m, povzroči pospešek a v smeri delovanja sile na telo. Z matematičnim

modelom lahko nato s pomočjo integracije vrednosti pospeškov v nekem časovnem

obdobju pridobimo podatke o hitrosti in o opravljeni poti v smeri posamezne osi. Pri

modeliranju je potrebno upoštevati še privlačno gravitacijsko silo Zemlje, ki vpliva na

premikajočo se maso merilnika pospeška. Po navadi se za inercialni tip navigacije

uporabljata dva merilnika pospeška, ki merita vrednosti pospeškov v vzdolžni ter prečni

smeri osi. Pri INS sistemih so se zaradi svoje majhnosti, natančnosti in visoke

temperaturne odpornosti uveljavili kapacitivni merilniki pospeška. Za delovanje izrabljajo

princip gibanja mase med ploščama kondenzatorja, kar se odraža na izhodu merilnika

pospeška na spreminjajoči se vrednosti napetosti, ki je sorazmerna z velikostjo pospeška

merilnika [9] [11].

Slika 5-4: MEMS merilnik pospeška [57]

Giroskop je drugi ključni element MEMS sistema, čigar naloga je beleženje zasuka kota

vzdolž ene od treh osi celotnega MEMS sistema. Za precizno določanje pozicije in

navigacijo se uporabljajo trije giroskopi, ki beležijo kote zasukov v vzdolžni, prečni ter

navpični osi inercijskega modula. Ker pa so cenovno giroskopi veliko dražji in se ne

uporabljajo tako masovno kakor pospeškometri, se v praksi največkrat za sledenje vozil

uporablja navigacijski sistem, ki je opremljen samo z enim giroskopom, ki beleži odklon

vozila v navpični osi. V primeru merjenja velikosti odklona v smeri vožnje s

pospeškometri naletimo na velik problem netočnih meritev, zato se za merjenje kota

zasuka raje uporablja dodaten giroskop. Za razliko od merilcev pospeška, gravitacijska

privlačna sila Zemlje na izmerjene vrednosti odklona giroskopa nima nobenega vpliva.

Tako se pospeškometer in giroskop pri merjenju trenutne hitrosti in natančne lege vozila

od blokadi GPS signala medsebojno dopolnjujeta [9] [11].

Slika 5-5: Panasonic EWTS86N MEMS giroskop [49]

Stran 53

Piezoelektrični giroskop, s katerim lahko izmerimo kotno hitrost zasuka vozila v navpični

osi, je najbolj razširjen med vsemi vrstami elektronskih inercialnih navigacijskih

senzorjev.. Za razliko od mehanskih giroskopov, ki ponazarjajo in izrabljajo načelo

ohranitve vrtilne količine v fiziki in so sestavljeni iz simetrične vrtavke obešene v

kardanski sklop, MEMS giroskopi delujejo na principu vibrirajoče mase v smeri osi in na

osnoci merjenja velikosti odklona od osi s pomočjo Coriolisovega efekta11. To pomeni, da

velikosti odklona od navpične osi odgovarja velikosti napetosti na izhodu MEMS

giroskopa. Odklon ali obrat v pozitivno ali negativno smer okoli osi se odraža na

spremembi velikosti napetosti.

Za izboljšanje pozicioniranja in natančnejše sledenje vozil v urbanih centrih in na

področjih s slabim sprejemom GPS signala je v napravi vgrajen MEMS giroskop tipa

SMD12 podjetja Panasonic. vgradnja katerega je skoraj eliminirala čas ''Time Of First Fix''.

Za brezhibno in natančno delovanje pa je potrebna zagotovitev natančnih in realnih

časovnih podatkov o hitrosti vozila, ki jih lahko pridobimo direktno preko OBD II

povezave s krmilno enoto. Z direktno povezavo giroskopa z GPS modulom v sledilni enoti

pa lahko zagotovimo, s strani navigacijskih podatkov v kombinaciji z diagnostičnimi

podatki o trenutni hitrosti vozila, minimiziranje napačnega lociranja.

Prednosti uporabe MEMS giroskopa so nedvomno majhne dimenzije in nizka poraba

električne energije. Kratek čas zagona, velika zanesljivost in zmožnost delovanja v

neugodnih razmerah pa so razlogi za vedno večje povpraševanje in masovno izdelavo teh

MEMS senzorjev. Edina slabost, ki je značilna za vse vrste elektronskih giroskopov, je

njihovo notranje generirano odstopanje od pravilne lege (napaka merjena v °/h ali °/sec),

kljub mirovanju celotnega inercialnega navigacijskega sistema. Ta se s časom prekinitve

GPS signala in s tem časom delovanja MEMS senzorike linearno povečuje.

11 Coriolisov efekt ali Coriolisova sila – je sila, ki povzroča odklon, oziroma ukrivljenje gibajočih teles z

vidika opazovalca, ki se nahaja na vrtečem sistemu.

12 SMD – eng. Surface-Mount Device

5.2.2 Navigacija na slepo ali Dead Reckoning

Dead Reckoning ali navigacija na slepo se danes s pridom uporablja v večini navigacijskih

sistemov za spremljanje in lociranje vozil, z namenom premagati omejitev, ki jo imajo

GPS/GNSS tehnologije ob popolni prekinitvi satelitskega signala. Satelitski navigacijski

signali so nedosegljivi v podzemnih garažah in predorih ter so pogosto močno oslabljeni v

urbanih centrih zaradi blokirane direktne linije med navigacijskim satelitom in

sprejemnikom. O navigacijskem sistemu na slepo ali Dead Reckoning govorimo takrat, ko

je vgrajena navigacijska naprava opremljena z MEMS senzorji ali katerimi drugimi

merilnimi napravami, ki ob izgubi GPS signala beležijo direktno ali preko uporabe

matematičnih algoritmov, hitrost vrtenja kolesa, posledično s tem pa tudi hitrost

premikanja in smer vožnje vozila. Mednje spadajo tudi senzorji, ki so pogosto z drugim

namenom že vgrajeni v vozilih (protiblokirni zavorni sistem ABS, elektronski nadzor

stabilnosti ESP) in ki se lahko preko krmilne enote ter vodila priključijo direktno na vhod

navigacijske enote. Navigacijski sistem nato zbrane podatke GPS modula in inercialnih

merilnih enot z implementacijo in uporabo primerno specificiranega Kalmanovega filtra

združi v najverjetnejšo realno pozicijo sprejemnika oziroma vozila [8] [23].

5.2.3 Kalmanov filter

Na področju satelitske navigacije in uporabe inercialnih navigacijskih merilnih senzorjev je

Kalmanov filter obvezno orodje za implementiranje in za obdelavo podatkov senzorjev teh

dveh združenih sistemov. Filter obdela vse vhodne meritve iz GPS sistema in merilnih

senzorjev, ne glede na njihovo točnost. Za izračun trenutnih vrednosti neznank filter

uporabi vhodne vrednosti o trenutni hitrosti in lokaciji iz GPS sprejemnika ter izmerjene

trenutne vrednosti hitrosti, lokacije in odklona IMU sistema. Z uporabo informacij o

dinamiki sistema in lastnostnih vrednosti merilnih senzorjev, kot je velikost statičnega

šuma senzorjev oziroma pogrešek velikosti odklona, ko vozilo stoji ali pa se giblje

premočrtno s konstantno hitrostjo, lahko oceni velikost napake izmerjenih veličin in jih

nato popravljene posreduje naprej. Kalmanov filter tako konstantno presoja trenutno stanje

navigacijskega sistema na podlagi dinamičnega satelitskega modela in empiričnega

senzorskega modela. Natančnost obeh modelov se določa s statističnimi lastnostmi

uporabe Gauss-Markovega modela za določanje korekcijskih parametrov sistema [9] [11].

Stran 55

Slika 5-6: Princip Kalmanovega filtra [10]

Z upoštevanjem šuma meritev IMU senzorjev, katerih velikost je tovarniško podana in se

ne spreminja, ob izmerjenih dinamičnih komponentah navigacijskega sistema s filtrom

podatke medsebojno primerjamo in tako lahko določimo pogreške meritev, ki jih nato

uporabimo pri natančnem določanju položaja z inercialnim navigacijskim sistemom pa tudi

kasneje v primeru, kadar GPS podatki zaradi izgube signala niso na voljo [10].

Slika 5-7: Arhitektura delovanja Kalmanovega filtra pri združitvi GPS / INS sistema [32]

Za določanje natančne lokacije za integriran navigacijski sistem se uporabi splošna enačba

določanja koordinat integriranega sistema v lokalnem prostoru oziroma koordinatnem

sistemu [10]:

kkkk

kkkk

rEE

rNN

sin

cos

1

1

(5.1)

kjer je:

Nk , Ek - north in east koordinati v času k [m],

ϕ k - smer [°],

r k - prevožena razdalja [m], izračunana kot r k = s · dt

s - izmerjena hitrost ali hitrost merilcev pospeška [m/s],

dt - časovni interval [s].

Za natančno določevanje smeri oziroma orientacijo integriranega sistema s pomočjo

uporabe giroskopa pa uporabimo za določanje koordinat naslednjo enačbo [10]:

bdtkk 1 , (5.2)

kjer je:

ϕ k - smer sistema v času k [°]; ko je k = 0 je ϕ0 začetna smer

λ - faktor merila

ω - kotna hitrost izmerjena z giroskopom [s-1],

b - pogrešek oziroma napaka izhodne enote [°/h].

Med postopkom Kalmanovega filtriranja vhodnih parametrov pridobimo oceno vrednosti

faktorja merila, pogrešek izhodne naprave in začetno smer.

Pri konstruiranju integriranega navigacijskega sistema moramo poznati dinamični model

lastnosti premikanja vozila ali pa model napak inercijskih merilnih senzorjev. Model

pogreškov uporabljenih inercijskih senzorjev lahko določimo le v primeru, ko uporabimo

Stran 57

kak drug dominantni navigacijski sistem, saj lahko le tako ocenimo napake in jih

kalibriramo s pomočjo povratne informacije v obliki popravkov znotraj strukture

Kalmanovega filtra.

5.3 Integracija GPS in INS sistema

Sistem natančnega globalnega določanja lege ali GPS skrbi za dolgoročno posredovanje

zanesljivih navigacijskih informacij, vendar potrebuje sistem za brezhibno delovanje

neprekinjeno in direktno povezavo med oddajnikom in sprejemnikom. Na drugi strani pa

skupina inercialnih merilnih enot (IMU13) predstavlja sistem, ki nudi kratkoročno

posredovanje natančnih navigacijskih informacij ob izpadu GPS sistema. Slabost uporabe

IMU modula je zmanjševanje natančnosti v daljšem časovnem obdobju zaradi kumulacije

napak inercialne senzorike. Integracija dolgoročne GPS natančnosti sistema s trajno

kratkoročno natančnostjo INS14 sistema tako omogoča neprekinjeno natančno

pozicioniranje za katerikoli še tako zapleten navigacijski scenarij. Ker sledenje vozil v

komercialne namene predstavlja eno izmed zahtevnih načinov uporabe navigacijske

tehnologije, je bistveno reševanje in odpravljanje napak v primeru vožnje vozila skozi

urbane centre ali vožnje vozila skozi predore. V prvem primeru govorimo o slabljenju in

zmanjševanju kvalitete GPS signala, v drugem pa o popolni prekinitvi in izgubi GPS

signala v nekem časovnem obdobju.

S cenovno dostopnejšo in nenehno razvijajočo GPS tehnologijo ter razvojem cenejših in

natančnejših INS sistemov se je v praksi začela uporabljati tehnologija delne inercialne

merilne enote oziroma sistem Partial IMU15. Za razliko od popolne IMU enote, kjer sistem

sestavljajo trije pospeškometri in trije giroskopi, je delna IMU enota sestavljena iz dveh

oziroma treh pospeškometrov, ki merijo vrednosti pospeškov vozila v smereh x, y in z, ter

enega giroskopa, ki meri vrednosti kota zasuka ω vzdolž navpične osi vozila, s čimer pa

določi smer gibanja [8].

13 IMU – eng. Inertial Measurement Unit

14 INS – eng. Inertial Navigation System

15 Partial IMU – Inercijski navigacijski sistem sestavljen iz treh pospeškometrov ter enim giroskopom

Slika 5-8: Merjene vrednosti inercialnega navigacijskega sistema [8]

Ker predpostavljamo, da se vozilo premika po površini prometnih poti, pri čemer je

njegovo gibanje omejeno na zgrajeno prometno omrežje, lahko kot pomoč ob izgubi GPS

signala uporabimo delni IMU sistem z dvema pospeškometroma (x,y) in enim giroskopom

(ω).

Pred uporabo INS sistema je potrebno sistem obvezno uskladiti in ga umeriti z znanim

koordinatnim sistemom, največkrat s koordinatami vozila. V kolikor inercialni navigacijski

sistem ni umerjen s koordinatnim sistemom vozila, so njegove izmerjene količine MEMS

senzorjev neuporabne za navigacijo [8].

Slika 5-9: Uskladitev IMU usmeritve z vozilom [8]

Stran 59

Poravnavo celotnega inercialnega sistema pa lahko dosežemo analitično na začetku

meritev, in sicer s pomočjo inercijskih senzorjev in ob upoštevanju transformacijske

matrike za pretvorbo koordinat iz koordinatnega sistema objekta v lokalni koordinatni

sistem oziroma NED16 sistem. Transformacijsko matriko C tako zapišemo kot [23]:

Tb

ibb

Tbib

Tb

e

eenb

a

a

g

g

C

0cos0

sin0cos

00

, (5.3)

kjer je:

nbC - transformacijska matrika,

ωe - rotacija Zemlje,

ḡ - velikost težnostnega vektorja,

ba - meritev pospeškometra,

bib - meritev giroskopa.

16 NED – ang. North-East-Down system

5.4 Rezultat integriranega GPS/INS sistema

Za natančno lociranje in sledenje vozila tudi ob šibkem sprejemu satelitskega GPS signala

in ob popolni prekinitvi je navigacijski GPS/INS sistem podjetja Telargo d.o.o., s pomočjo

vgrajenih inercialnih merilnih senzorjev, omogočil lociranje in spremljanje vozila v

realnem času. Ob nastanku popolne prekinitve GPS signala se za določitev hitrosti,

pozicije in smeri vožnje vozila uporabljata dva merilnika pospeška v vzdolžni in prečni osi

vozila, za odklon oziroma zasuk vozila pa giroskop.

Slika 5-10: Primer vožnje vozila skozi urban center [22]

V vožnji skozi urbana središča prihaja do nenehnega prekinjanja satelitskega signala in

odboja signala od visokih zgradb. Tako lahko ob nastanku prekinitve satelitskega signala

trenutno pozicijo vozila prikažemo s pomočjo meritev senzorjev, ki je prikazana na

primeru vožnje vozila po južnem delu otoka Manhattan (New York, ZDA). Ob

kratkotrajnih prekinitvah se meritev natančne pozicije izvede s pomočjo senzorjev.

Stran 61

Slika 5-11: Primer vožnje v podzemni garaži [22]

V primerih popolne prekinitve satelitskega signala za neko daljše časovno obdobje, kot

nastane v primeru vožnje skozi predore, podzemne ali večnadstropne garažne hiše in v

izven nivojskih prometnih poteh, pa se lahko pri spremljanju vozila in natančnem lociranju

zanesemo samo na izmerjene veličine senzorjev. Na sliki 34 je prikazan primer natančnega

lociranja vozila, kadar se to premika v podzemni garaži. V trenutku, ko se satelitski signal

prekine, to je ob vhodu v garažno hišo, se podatki o hitrosti in smeri vožnje pridobijo iz

merilcev pospeška in giroskopa ter nato uporabijo za lociranje.

Iz testiranj je razvidno, da lahko za spremljanje vozila v urbanih centrih, podzemnih

garažah ter drugih predelih, kjer ni več direktne povezave med satelitom in GPS

sprejemnikom, v trenutku nastopa šibkega sprejema ali celo popolne prekinitve

satelitskega GPS signala, uporabimo INS sistem kot nadomestilo primarnega satelitskega

navigacijskega sistema. Prikazi natančnih lokacij ter spremljanja vozila v realnem času s

pomočjo MEMS merilnih enot dajejo dovolj dobre rezultate za uporabo takšnega

kombiniranega GPS/INS sistema v komercialne namene, kjer se potreba po centimeterski

natančnosti ne pojavlja.

Stran 63

6 SKLEP

Z razvojem tehnologije satelitskega pozicioniranja in razvojem telekomunikacijske

tehnologije, ki je že preplavila naš vsakdan in brez katere si življenja ne znamo več

predstavljati, pa so nastopile tudi nove težave. Kakor pri vseh tehologijah tako se tudi v

temprimeru pojavljajo napake. Ker gre za princip pozicioniranja blaga, prevoznega

sredstva ali celo osebe s pomočjo satelitske tehnologije, sta funkcionalnost in delovanje le-

te odvisni od brezhibnega delovanja naprav, v veliki meri pa tudi od vremenskih vplivov.

Natančno delovanje sistema za sledenje vozil je pogojeno z neprekinjeno in stabilno

povezavo med satelitom in sprejemnikom, zato se nemalokrat pojavijo napake v smislu

izgube signala, kar pa v realnem svetu lahko pomeni izgubo tovora oziroma nepravočasno

dostavo blaga na želeno lokacijo, zamudo na avtobus ali vlak zaradi nenatančnih

informacij o prihodu na določeno postajo, nedosegljivost v pomembnem trenutku zaradi

izpada mobilnega omrežja. Pri satelitskem pozicioniranju pa vremenski vplivi in fizikalne

lastnosti zemeljskega ozračja ter različni atmosferski pojavi predstavljajo glavni vzrok za

napačno delovanje oziroma nedelovanje navigacijskega sistema.

Uporaba izključno in samo globalne navigacijske satelitske tehnologije za namen

pozicioniranja oziroma sledenje vozila ne prinaša dovolj natančnih in zanesljivih

rezultatov. Ker je satelitski navigacijski sistem za brezhibno delovanje pogojen z direktno

povezavo med oddajnikom in sprejemnikom, ga v primerih kratkotrajnih prekinitev signala

zaradi vožnje v urbanih centrih ali vožnje skozi predor in podzemno garažo nadomesti

uporaba inercialnih navigacijskih sistemov. Z uporabo mikro elektro-mehanskih senzorjev

v obliki merilcev pospeškov in giroskopa lahko določimo natančno lokacijo vozila tudi v

primerih, ko ni satelitskega navigacijskega signala. Ob konstantnem tehnološkem napredku

inercialnih navigacijskih senzorjev ti postajajo z razvojem zmogljivejši in natančnejši ter

so postali sestavni del navigacijskih naprav. Z nenehnim nižanjem cen MEMS merilcev

pospeškov in MEMS giroskopov sta njihova prilagodljivost in vsestranska uporabnost

vzrok za njihovo komercialno razširitev.

Danes je za izvajanje sledenja vozil in natančnega pozicioniranja integracija satelitskega

navigacijskega sistema in inercialnega navigacijskega sistema obvezna. V konstantnem

naraščanju urbanih središč in posledično tudi urbanih kanjonov, prihaja vedno pogosteje do

šibkega sprejema satelitskega navigacijskega signala in celo tudi do njegove popolne

prekinitve, kar pomeni vedno večjo odvisnost sistemov za spremljanje vozil od integriranih

MEMS sistemov. Cenovna dostopnost in v zadnjem času vse večja masovna proizvodnja

MEMS merilcev pospeška in giroskopov sta indikatorja za razvoj naslednjih generacij

naprednih preciznih sledilnih naprav, ki bodo lahko popolnoma prevzele nalogo

natančnega lociranja in sledenja, pri čemer pa bodo uporabljale globalni navigacijski

satelitski sistem le še kot sredstvo za kalibracijo in kontrolo skladnosti navigacijskih

podatkov. Do takrat pa bo še naprej veljala težnja k cenitvi MEMS senzorjev, k

povečevanju njihovih zmogljivosti in širši uporabnosti.

Stran 65

7 VIRI, LITERATURA

[1] Nwagboso, 1997, Advanced vehicles and infrastructure systems : computer

applications, control and automation, J. Wiley & sons, New Jersy

[2] Bauer, 2003, Vermessung und Ortung mit Satelliten : GPS und andere

satellitengestützte Navigationssysteme, Wichmann , Heidelberg

[3] Maini, AK, Agrawal, V, 2007, Satellite technology : principles and applications,

John Wiley & Sons, Chichester

[4] 2nd International Conference on Road Vehicle Automation, 1997, Road vehicle

automation II : towards systems integration, J. Wiley & Sons, Chichester

[5] Čop, R., 2001, Radionavigacija in telematika, samozal., Portorož

[6] R.D., 2007, Slovensko omrežje referenčnih postaj GPS za natančno določanje

položaja, Raziskave s področja geodezije in geofizike 2006: zbornik predavanj,

Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Ljubljana, str. 21-28.

[7] Sauter, M., 2006, Commmunication Systems for the Mobile Information Society,

John Wiley & Sons, Chichester, England

[8] Priyanka A., Zainab S., 2010, MEMS-Based Integrated Navigation, Artech House,

London, UK

[9] Jay A. Farrell, 2008, Aided navigation, GPS with High Rate Sensors, The McGraw-

Hill Companies, USA

[10] Mohinder S. Grewal, Lawrence R. Weill, Angus P. Andrews, 2007, Global

Positioning Systems, Inertial navigation, and Integration, 2nd Edition, John Wiley

& Sons, Inc., Hoboken, New Jersey

[11] Gleason S., Gebre-Egziabher D., 2009, GNSS Aplications and Methods, Artech

House, Norwood, USA

[12] Bevly D. M., Cobb S., 2010, GNSS for Vehicle Control, Artech House, Norwood,

USA

[13] Guochang Xu, 2010, GPS Theory, Algorithms and Applications, Springer-Verlag

Berlin Heidelberg

[14] Vlacic L., Parent M., Harashima F., 2001, Intelligent Vehicle Technologies Theroy

and Applications, Butterworth-Heinemann, Oxford, UK

[15] Ahmed El-Rabbany, 2002, Introduction to GPS The Global Positioning System,

Artech House, Norwood, USA

[16] Waslowski Krzysztof, 2002, Mobile Communication Systems, John Wiley & Sons,

Chichester, England

[17] Figueiras J., Frattasi S., 2010, Mobile Positioning and Tracking, From

Conventional to Cooperative Techniques, John Wiley & Sons Ltd., Chichester,

England

[18] Prasad R., Ruggieri M., 2005, Applied Satellite Navigation Using GPS, GALILEO,

and Augmentation Systems, Artech House, Norwood, USA

[19] Chung-Ming H., Yuh-Shyan C., 2010, Telematics Communication Technologies

and Vehicular Networks: Wireless Architectures and Applications, Information

Science Reference, IGI Global, Hershey, Pennsylvania, USA

[20] Elliott D. Kaplan, Christopher J. Hegarty, 2006, Understanding GPS Principles and

Applications, 2nd Edition, Artech House, Norwood, USA

[21] Gregory T. French, 1996, Undersuser tanding the GPS, An Introduction to the

Global Positioning System What It Is and How It Works, GeoResearch Inc.,

Bethesda, Maryland, USA

[22] Telargo Inc., 2008, Telargo Control Center User Manual, Interna literatura podjetja

Telargo d.o.o.

[23] Robert M. Rogers, 2003, Applied mathematics in Integrated Navigation Systems,

Second Edition, AIAA, Reston, Virginia USA

[24] Figueiras J., Frattasi S., 2010, Mobile Positioning and Tracking, From

Conventional to Cooperative Techniques, John Wiley & Sons Ltd., Chichester, UK

Stran 67

[25] Basnayake C., Mezentsev O., Lachapelle G., An HSGPS, inertial and map-

matching integrated portable vehicular navigation system for uninterrupted real-

time vehicular navigation, Int. J. Vehicle Information and Communication Systems,

Vol. 1, Nos. 1/2, 2005, str.131-151.

Dostopno na [22.04.2011]: <http://www.inderscience.com/search/index.php?action=record&rec_id=7589>

[26] Congwei Hu, Wu Chen, Yongqi Chen, Dajie Liu, Adaptive Kalaman Filtering for

Vehicle Navigation, Journal of Global Positioning Systems, Vol. 2, No. 1, 2003,

str.42-47.

Dostopno na [28.07.2011]:

<http://www.gmat.unsw.edu.au/wang/jgps/v2n1/index_v2n1.htm>

[27] Sherryl H. Stovall, 1997, Basic Inertial Navigation, Naval Air Warfare Center

Weapons Division, California

Dostopno na [18.08.2011]:

<http://www.fas.org/spp/military/program/nav/basicnav.pdf>

[28] Bistrovs V., Kluga A., Combined Information Processing from GPS and IMU using

Kalman Filtering Algorithm, Electronics and Electrical Engineering, Signal

Technology, No. 5 (93), 2009, str.15-20.

Dostopno na [28.07.2011]:

<http://www.ee.ktu.lt/journal/2009/5/04_ISSN_1392-

1215_Combined%20information%20processing%20from%20GPS%20amd%20IM

U_.pdf.sdv>

[29] Iqbal U., Karamat T. B., Okou A. F., Noureldin A., Experimental Results on an

Integrated GPS and Multisensor System for Land Vehicle Positioning,

International Journal of Navigation and Observation, Vol. 2009, Article ID

765010, 18 strani, 2009.

Dostopno na [28.07.2011]:

<http://www.hindawi.com/journals/ijno/2009/765010/>

[30] Meng Yu, Zhilin Li, Yongqi Chen, Wu Chen, Improving Integrity and Reliability

of Map Matching Techniques, Journal of Global Positioning Systems, Vol. 5, No.

1-2, 2006, str.40-46.

Dostopno na [29.07.2011]:

<http://www.gmat.unsw.edu.au/wang/jgps/v5n12/index_v5n12.htm>

[31] T. D. Tan, L.M.Ha, N. T. Long, N. D. Duc, N. P. Thuy, Land-vehicle mems

INS/GPS positioning during GPS signal blockage periods, VNU Journal of Science,

Mathematics - Physics 23 (2007), str.243-251.

Dostopno na [29.07.2011]:

<http://js.vnu.edu.vn/tl_s4_07/Tan.pdf>

[32] Naser El-Sheimy, Less Is More - The Potential of Partial IMUs for Land Vehicle

Navigation, Inside GNSS, Spring 2008, str.16-25.

Dostopno na [16.08.2011]:

<http://www.insidegnss.com/node/621>

[33] Washington Y. Ochieng, Shaojun Feng, Terry M., Hill C., Hide C., User Level

Integrity Monitoring and Quality Control for High Accuracy Positioning using

GPS/INS Measurements, Journal of Global Positioning Systems, Vol. 7, No. 2,

2008, str.104-114.

Dostopno na [29.07.2011]:

<http://www.gnss.com.au/JoGPS/JoGPS_v7_Issue2.html>

[34] Davidson, P., J. Hautamäki, J. Collin, Using Low-Cost MEMS 3D Accelerometers

and One Gyro to Assist GPS Based Car Navigation System, Proceedings of 15th

Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, May

2008

Dostopno na [03.08.2011]:

<http://www.tkt.cs.tut.fi/research/nappo_files/Davidson08.pdf>

[35] Klemen Kozmus Trajkovski, Združeni sistemi GNSS/INS za neprekinjeno

navigacijo, Geodetski vestnik 53/2009 - 2, str.239-252

Dostopno na [18.08.2011]:

Stran 69

<http://www.geodetski-vestnik.com/53/2/gv53-2_239-252.pdf>

[36] Richard B. Langley, Dilution of Precision, GPS World May/1999, str.252-259

Dostopno na [24.02.2011]:

<http://www.ceri.memphis.edu/people/smalley/ESCI7355/gpsworld_may99.pdf>

[37] Larry J. Levy, The Kalman Filter: Navigation's Integration Workhorse, GPS World

September/1997, str.65-71

Dostopno na [24.02.2011]:

<http://gge.unb.ca/Resources/gpsworld.september97.pdf>

[38] Encyclopedia Astronautica - Navigation, Dostopno na [12.03.2011]:

<http://www.astronautix.com/fam/navation.htm>

[39] Satellite navigation (Wikipedia), Dostopno na [28.07.2011]:

<http://en.wikipedia.org/wiki/Global_navigation_satellite_system>

[40] Position Determination with GPS, Dostopno na [29.07.2011]:

<http://www.kowoma.de/en/gps/positioning.htm>

[41] GPS-System, Dostopno na [29.07.2011]:

<http://www.kowoma.de/en/gps/index.htm>

[42] GPS Signals (Wikipedia), Dostopno na [29.07.2011]:

<http://en.wikipedia.org/wiki/GPS_signals#Precision_code>

[43] ESA – Galileo navigation, Dostopno na [22.04.2011]:

<http://www.esa.int/esaNA/GGGMX650NDC_galileo_0.html>

[44] Omrežje SIGNAL, Dostopno na [22.04.2011]: <http://www.gu-

signal.si/index.php?option=com_content&task=section&id=5&Itemid=29>

[45] Skica omrežja SIGNAL, Dostopno na [22.04.2011]: <http://www.gu-

signal.si/index.php?option=com_content&task=view&id=153&Itemid=32>

[46] EUREF Permanent Network, Dostopno na [12.03.2011]:

<http://www.epncb.oma.be/>

[47] GSM basics tutorial and overview, Dostopno na [12.03.2011]: <http://www.radio-

electronics.com/info/cellulartelecomms/gsm_technical/gsm_introduction.php>

[48] Tracking Basics, Overview of the Vehicle Tracking System, Dostopno na

[23.04.2011]: <http://www.ourvehicle.info/Tracking/Track01detail.htm>

[49] Telargo Homepage - Maximizing Mobile Assets, Dostopno na [16.01.2011]:

<http://www.telargo.com/overview.aspx>

[50] Calsoft Labs Homepage - GPS/GPRS/GSM based Mobile Asset Tracking,

Dostopno na [28.07.2011]: <http://www.calsoftlabs.com/whitepapers/gps-gprs-

gsm-mobile-asset-tracking.html#09>

[51] GSM (Wikipedia), Dostopno na [21.04.2011]: <http://en.wikipedia.org/wiki/GSM>

[52] General Packet Radio Service (Wikipedia), Dostopno na [21.04.2011]:

<http://en.wikipedia.org/wiki/General_Packet_Radio_Service>

[53] Base Station Subsystem (Wikipedia), Dostopno na [22.04.2011]:

<http://en.wikipedia.org/wiki/Base_station_subsystem>

[54] Microelectromechanical systems (Wikipedia), Dostopno na [22.04.2011]:

<http://en.wikipedia.org/wiki/MEMS>

[55] Inertial Navigation System (Wikipedia), Dostopno na [28.07.2011]:

<http://en.wikipedia.org/wiki/Inertial_guidance_system>

[56] Principles and Practice of GPS Surveying, Dostopno na [07.03.2011]:

<http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/gps_survey/principles_gps.htm>

[57] Tenet Technetronics homepage, Dostopno na [28.07.2011]

<http://www.tenettech.com/category.php?id_category=25>

Stran 71

8 PRILOGE

8.1 SEZNAM SLIK

Slika 2-1: Položaji nadzornih centrov satelitskega navigacijskega sistema GPS ................. 6 

Slika 2-2: Določanje pozicije z dvema satelitoma ............................................................... 12 

Slika 2-3: 2D pozicioniranje z dvema satelitoma in časovno napako ................................. 13 

Slika 2-4: 2D pozicioniranje s tremi sateliti in časovnim popravkom ................................ 14 

Slika 2-5: Satelitski navigacijski sistem in podsistemi ........................................................ 15 

Slika 2-6: Zgradba satelitskega navigacijskega podatkovnega nosilnega signala L1 in L2 19 

Slika 2-7: Slabo geometrijsko prekrivanje navigacijskih satelitov ..................................... 22 

Slika 2-8: Dobro geometrijsko pokrivanje navigacijskih satelitov ..................................... 23 

Slika 2-9: Razpotja podatkovnih signalov ........................................................................... 24 

Slika 2-10: Atmosferski vplivi na podatkovni signal ........................................................... 25 

Slika 2-11: Pozicioniranje sprejemnika brez in s popravkom atmosferskih vplivov ........... 26 

Slika 2-12: Omrežje permanentnih referenčnih GPS postaj v RS ....................................... 30 

Slika 3-1: Arhitektura mobilnega telekomunikacijskega sistema GSM ............................... 33 

Slika 3-2: Arhitektura GPRS omrežja ................................................................................. 35 

Slika 4-1: Arhitektura sistema za sledenje vozila ................................................................ 38 

Slika 4-2: Vgrajena strojna oprema za sledenje osebnega vozila ....................................... 40 

Slika 4-3: Mobilna enota za sledenje vozil podjetja Telargo d.o.o. .................................... 41 

Slika 4-4: Uporabniški terminal podjetja Telargo s.o.o. vgrajen v notranjosti vozila ....... 42 

Slika 4-5: OBD-II priključek v vozilu in podatkovna povezava z mobilno enoto ................ 43 

Slika 4-6: Aktivna GSM/GPS DUPLEX zunanja antena podjetja Telargo d.o.o. ............... 44 

Slika 4-7: Primer pregleda opravljene poti v nadzornem centru ........................................ 46 

Slika 5-1: Nepravilen prikaz opravljene poti v urbanem središču ...................................... 48 

Slika 5-2: Nepravilen prikaz opravljene poti skozi predor ................................................. 49 

Slika 5-3: Primerjava zabeležene izmerjene poti z realnim potekom poti .......................... 50 

Slika 5-4: MEMS merilnik pospeška ................................................................................... 52 

Slika 5-5: Panasonic EWTS86N MEMS giroskop ............................................................... 52 

Slika 5-6: Princip Kalmanovega filtra ................................................................................ 55 

Slika 5-7: Arhitektura delovanja Kalmanovega filtra pri združitvi GPS / INS sistema ...... 55 

Slika 5-8: Merjene vrednosti inercialnega navigacijskega sistema .................................... 58 

Slika 5-9: Uskladitev IMU usmeritve z vozilom .................................................................. 58 

Slika 5-10: Primer vožnje vozila skozi urban center ........................................................... 60 

Slika 5-11: Primer vožnje v podzemni garaži ..................................................................... 61 

8.2 SEZNAM PREGLEDNIC

Tabela 2-1: Struktura dela navigacijskega podatkovnega signala ...................................... 21 

Tabela 2-2: Vrsta in velikost napak ..................................................................................... 29 

8.3 NASLOV ŠTUDENTA

Branko Jurič

Kardeljeva cesta 68

2000 Maribor

Stran 73

Mobilni telefon: +38631591825

e-mail: branko.juric1@gmail.com

8.4 KRATEK ŽIVLJENJEPIS

Rojen: 21.9.1977 v Mariboru

Šolanje:

1988-1996: Osnovna šola Borisa Kidriča v Mariboru

1992-1996: Srednja Elektro-Računalniška šola v Mariboru

1998-2004: Fakulteta za Gradbeništvo, Univerza v Mariboru, program Promet UNI,

smer Cestni promet

Zaposlitev: 2005 – 2010 Telargo d.o.o.