GPS podbija światowy rynek urządzeń przenośnych

Sieci komórkowe udostępniają rodzicom możliwość namierzenia telefonu dziecka, a firmy mogą odnaleźć skradzioną ciężarówkę zaopatrzoną w odbiornik GPS. Z GPS korzystają także linie lotnicze i przewoźnicy morscy.

Wczoraj i dziś

Obecnie panuje tendencja do wyposażania prawie wszystkich podręcznych urządzeń, w tym głównie telefonów komórkowych, w możliwości lokalizacji i nawigacji. Sprzyja to coraz większej popularności systemu GPS (Global Positioning System), którego administratorem są Amerykańskie Siły Powietrzne. GPS umożliwia precyzyjne określenie położenia na podstawie danych transmitowanych z satelity do odbiornika. GPS, określany również jako Navstar (Navigation Signal Timing And Ranging) i działa od początku lat 90. W pierwszych latach funkcjonowania sprawdzał się on głównie w zastosowaniach wojskowych. System okazał się niezwykle użyteczny w trackie wojny w Zatoce Perskiej, a także we wszystkich innych operacjach wojskowych, które od tego czasu miały miejsce. Obecnie GPS jest jednak wykorzystywany także w komercyjnych zastosowaniach, stając się nieodłączną częścią dostępnych w powszechnej sprzedaży urządzeń wyposażonych w opcję lokalizacji i nawigacji. Niemal każdego roku system jest ulepszany tak, aby stawał się jeszcze bardziej precyzyjny, a na jego rozpowszechnianie wpływa także cena. Wyposażanie urządzeń w coraz tańsze odbiorniki GPS sprawia, że stają się one dostępne dla każdego i dzięki temu, z dnia na dzień, bardziej popularne.

Jak działa GPS?

Część kosmiczna GPS stanowi konstelacja 24 pracujących satelitów i przynajmniej trzech pozostających w gotowości, na wypadek awarii pozostałych. Satelity okrążają Ziemię po orbitach kołowych (6 orbit, po 4 satelity na każdej) na wysokości 20200km, nachylonych pod kątem 55° względem płaszczyzny równika. Okres obiegu Ziemi przez satelitę trwa 11 godzin 58 minut. W takim ustawieniu zawsze przynajmniej od 5 do 8 satelitów jest widocznych z dowolnego miejsca na Ziemi.

Każdy satelita ma 4 zegary atomowe, dwa cezowe i dwa rubinowe, które stanowią pokładowe wzorce czasu i używane są do generacji sygnałów wysyłanych do odbiorników naziemnych. By odróżnić poszczególne satelity każdemu przypisany jest inny kod pseudolosowy. Ponadto przesyłana jest tzw. efemeryda, czyli informacja, które dokładnie określają pozycję satelity na orbicie. Informacja ta, codziennie aktualizowana przez stacje naziemne, wykorzystywana jest do obliczania szerokości i długości geograficznej śledzonego obiektu, co umożliwia określenie ich położenia.

Sygnał transmitowany z satelity powstaje przy wykorzystaniu modulacji DSSS, czyli z bezpośrednim rozpraszaniem widma ciągiem pseudolosowym. Informacja jest przesyłana w postaci dwóch fal nośnych modulowanych przy użyciu BPSK (Binary Phase-Shift Keying). Nośne należą do pasma L i są oznaczane jako L1 (1575,42MHz) oraz L2 (1227,6MHz). Stosowane są dwa rodzaje kodów pseudolosowych. Pierwszy z nich, tzw. kod C/A (Coarse – Acquisition) składa się z 1023 bitów przesyłanych z szybkością około 1Mb/s. Kod ten służy do rozpraszania sygnału informacyjnego, o szybkości 50b/s, który zawiera dane nawigacyjne. Drugim używanym kodem jest kod P (Precise), przesyłany z szybkością 10,23Mb/s. Kod P również służy do rozpraszania sygnału informacyjnego. Powstały w ten sposób sygnał moduluje nośną L2, ale także nośną L1 (rys. 1). Kod P jest używany przede wszystkim w zastosowaniach wojskowych, a gdy jest dodatkowo zaszyfrowany - jest nazywany kodem Y.

Na podstawie nadawanego sygnału odbiornik na Ziemi oblicza wysokość oraz położenie określane przez długość i szerokość geograficzną. Podawany jest również czas, a dzięki temu można wyznaczyć i prędkość. Producenci określają to rozwiązanie jako PVT: pozycja (Position) – prędkość (Velocity) – czas (Time). Używając specjalnego oprogramowania oraz korzystając z nakładek w postaci map można wygenerować obraz pokazujący, w którym miejscu na mapie obiekt się aktualnie znajduje.

Rys.1. W nadajniku systemu GPS jest stosowana technika modulacji z bezpośrednim rozpraszaniem widma ciągiem pseudolosowym DSSS. Umożliwia to pracę wielu nadajników w tym samym paśmie częstotliwości, ale przy używaniu różnych ciągów rozpraszających.

Podstawową operacją przeprowadzaną w odbiorniku (zazwyczaj superheterodynowym lub z przetwarzaniem bezpośrednim) jest pomiar czasu, w jakim sygnał jest przesyłany z satelity na Ziemię. Znając czas i prędkość światła wyznaczana jest odległość od satelity, która jest wykorzystywana w dalszych obliczeniach wraz z innymi danymi przesyłanymi z orbity (rys. 2). Wymaganą wysoką dokładność obliczeń osiąga się dzięki stosowaniu procesorów o odpowiedniej mocy obliczeniowej, zazwyczaj 32-bitowych, opartych na arytmetyce zmiennoprzecinkowej. Liczba satelitów, z którymi współpracuje odbiornik jest uzależniona od tego, co jest wyznaczane. W przypadku określania położenia odbiornika w płaszczyźnie dwuwymiarowej do obliczenia szerokości i długości geograficznej wymagana jest współpraca trzech satelitów. Gdy z kolei istnieje potrzeba przestrzennego określenia pozycji obiektu, a także podania jego prędkości, konieczne są dane z czterech satelitów.

Jeszcze lepszy GPS

Rys.2. Triangulacja z wykorzystaniem sieci GSM i z użyciem systemu GPS

Ważną i zarazem kłopotliwą sprawą w przypadku systemu GPS jest długi czas, jakiego potrzebuje odbiornik na zsynchronizowanie się z nadajnikiem od momentu rozpoczęcia śledzenia danego satelity, aż do chwili odebrania transmitowanych danych. Okres ten jest nazywany czasem akwizycji TTFF (Time To First Fix) i trwa kilka minut, zwłaszcza gdy odbiornik znajduje się w nowym miejscu. Na czas wpływa przede wszystkim szybkość transmisji danych nawigacyjnych, która wynosi 50b/s. Aby korzystanie z GPS w nagłych sytuacjach alarmowych miało sens czas akwizycji musi być jak najkrótszy. Problem ten rozwiązuje się w różny sposób a jednym z bardziej zaawansowanych sposobów jest korzystanie z serwerów operatora telefonii komórkowej w wariancie A-GPS, w celu uzyskania aktualnej pozycji. Odbiornik na wstępie uzyskuje pewne informacje, co redukuje początkowe obliczenia, a w związku z tym również czas ich trwania z minut do sekund. Zaletą A-GPS jest więc także to, że w systemie tym sieć komórkowa jest wykorzystywana jako jeden z torów przy przesyłaniu informacji do odbiornika. Unika się więc w ten sposób podstawowej wady systemu GPS, która polega na tym, że przestaje on działać w momencie gdy traci łączność z orbitą.

Najwięksi konkurenci

Rys.3. Układ SE4120S firmy SiGe Semiconductor

Aktualnie w trakcie budowy jest również system nawigacyjny Europejskiej Agencji Kosmicznej – Galileo. System ten jest podobny w swej strukturze do GPS, a nawet pracuje na tej samej częstotliwości L1. Galileo ma być konstelacją złożoną z 29 satelitów, które będą krążyły po orbitach nie zajmowanych przez satelity GPS. Aktualnie na orbicie znajduje się tylko jeden satelita, ale program zakłada wynoszenie na orbitę kolejnych satelitów w przeciągu najbliższych lat. Zakończenie pracy nad Galileo jest planowane na lata 2010-2012.

Odbiorniki GPS – przykłady rozwiązań

Przemysł skupił się przede wszystkim na urządzeniach do osobistej nawigacji, określanych skrótem PND (Personal Navigation Device) oraz akcesoriach samochodowych, wykorzystujących GPS. Podręczne odbiorniki GPS są szeroko dostępne, a praktycznie każdy pojazd ma możliwość wyposażenia w opcję nawigacji. Obecnie króluje trend dodawania odbiorników GPS także do innych przenośnych i zarazem kieszonkowych urządzeń, takich jak wspominane wcześniej telefony komórkowe, a także palmtopy. Możliwość określenia swojego położenia mają wbudowaną również niektóre kamery i aparaty cyfrowe, co umożliwia zapis obrazu z jednoczesnym wyznaczeniem lokalizacji filmowanego obiektu. Tak powszechne stosowanie systemu GPS stało się możliwe głównie ze względu na postępującą miniaturyzację układów elektronicznych oraz coraz mniejszy pobór mocy, co ma oczywiste znaczenie w przypadku urządzeń przenośnych. W skład każdego urządzenia współpracującego z systemem GPS wchodzić musi odbiornik - w tym przede wszystkim antena, oraz procesor przetwarzający odebraną z satelity informację. Ich producentami są takie firmy jak Atmel, Infineon, Maxim, SiGe Semiconductor, SiRF, STMicroelectronics oraz Texas Instruments. Obecnie na rynku występuje blisko tuzin różnych rozwiązań odbiorników GPS.

Przykładem może być odbiornik NX3 firmy Nemerix, który charakteryzuje się małym poborem mocy tylko 35mW i czułością -158dBm. Układ zamknięty został w obudowie o 6x6mm, jest wykonany w technologii SiGe i został w pełni zintegrowany z systemem A-GPS. Niedawno układ został również rozbudowany o rozwiązania wspomagające obliczenia związane z odbieranymi danymi na temat efemerydy satelity. Dodatkowe oprogramowanie, współpracuje z A-GPS, ma zapewnić regularne aktualizacje danych z orbity co siedem dni. Umożliwia to predykcję położenia satelity. Skraca to czas ustalania wstępnych ustawień odbiornika, co trwa zazwyczaj kilka minut. Urządzenie firmy Nemerix redukuje czas akwizycji TTFF do około od 5 do 15s.

Innym rozwiązaniem, określanym jako jedno z najmniejszych wśród najnowszej serii odbiorników GPS, jest SE4120S firmy SiGe Semiconductor. Układ ma wymiary 4x4mm, w związku z tym znajduje zastosowanie głównie w telefonach komórkowych. Dodatkowo ma również możliwość pracy jako odbiornik w systemie Galileo. Jest w stanie namierzyć, a następnie śledzić, sygnał z satelity na poziomie odpowiednio od -160 do -170dBm. Wersja dedykowana wyłącznie do współpracy z GPS - SE4110S, ma jeszcze mniejsze wymiary 2,2x2,2x0,3mm.

Innym odbiornikiem przeznaczonym zarówno do współpracy z systemem Galileo, jak i A-GPS, jest układ u-blox5, którego producentem jest firma U-blox. Odbiornik ten charakteryzuje czułość na podobnym poziomie jak układy wymieniane wcześniej, czyli -160dBm. Istnieje kilka wersji u-blox5, które według zapewnień producenta pracują z czasem akwizycji TTFF rzędu 1s. Z kolei pobór mocy w przypadku tego układu jest szacowny na mniej niż 50mW.

Kolejnym producentem zaangażowanym w rynek urządzeń GPS jest firma RF MicroDevices. Najnowszym produktem firmy jest odbiornik RF8110. Układ namierza sygnały na poziomie -146dBm, a w przypadku śledzenia jego czułość wynosi -154dBm. RF8110 współpracuje także z systemem WAAS oraz europejskim systemem nawigacji EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service). Układ został zaprojektowany do współpracy z zewnętrznym procesorem, który obsługiwałby oprogramowanie RFMD. Możliwa jest współpraca z różnymi rodzinami procesorów, w tym ARM, Freescale i MX, Marvell X-scale oraz TI OMAP. Odebrany sygnał zostaje w postaci cyfrowych próbek wpisany do pamięci zewnętrznego procesora. Oprogramowanie RFMD realizuje większość opcji systemu GPS, dzięki czemu procesor na podstawie odebranych informacji samodzielnie wyznacza pozycje obiektu lub też korzysta z dodatkowych informacji, na przykład uzyskanych z systemu WAAS.

W urządzeniach przenośnych sprawdzi się zapewne również rozwiązanie proponowane przez firmę Glonav. Układ GNS4540 jest sprzedawany w obudowie 9x6mm lub 6x4mm, a podawana przez producenta czułość odbiornika wynosi -157dBm przy namierzaniu oraz -159dBm w trakcie śledzenia satelity. Oprogramowanie DynaTrak dostarczane przez Glonav jest oparte na algorytmach, które umożliwiają nieprzerwaną pracę nawet w przypadku zaniku sygnału w momencie znalezienia się odbiornika w pomieszczeniu. Połączenie przez port szeregowy umożliwia odbiornikowi, podobnie jak jego wcześniej wymienianym konkurentom, współpracę z zewnętrznym procesorem. GNS4540 pracuje z systemem A-GPS zarówno w sieciach komórkowych opartych o CDMA, WCDMA jak i GSM. Pobór mocy w trakcie śledzenia deklarowany jest na poziomie 30mW.

Innym przykładem jest najnowszy produkt firmy Global Locate, produkowany z myślą przede wszystkim o zastosowaniu w telefonach komórkowych. Jest nim powstały we współpracy z Infineon odbiornik GPS o nazwie Hammerhead II. Układ jest produkowany w obudowie o wymiarach 3,74x3,59x0,6mm, a deklarowana czułość odbiornika wynosi -160dBm. Jak poprzednio przedstawiane rozwiązania, również Hammerhead współpracuje z zewnętrznym procesorem, a za dostarczenie odpowiedniego oprogramowania odpowiada Global Locate. Układ znalazł już także zastosowanie w projekcie firmy NXP Semiconductor mającym na celu umożliwienie współpracy systemów GSM/EDGE/UMTS WCDMA. Ponadto Hammerhead jest nieodłączną częścią urządzeń typu PND (Personal Navigation Device) firmy TomTom.

Inne zmiany na rynku

O popularności systemu GPS, a także związanej z tym opłacalności inwestowania w tej dziedzinie, świadczy również zainteresowanie tym sektorem firmy CSR, do tej pory uchodzącej za firmę z branży związanej z technologią Bluetooth. CSR przejęło niedawno NordNav Technologies AB oraz Cambridge Positioning Systems Ltd. Combines i chce z pomocą tych przedsiębiorstw produkować urządzenia i oprogramowanie oparte o współpracę z systemem GPS, które znalazłyby zastosowanie w telefonach komórkowych i urządzeniach PND. Głównym celem CSR jest dostarczenie na rynek nowych rozwiązań w dziedzinie GPS charakteryzujących się niską ceną, wynoszącą nie więcej niż 1$. Zapowiadanych produktów można się spodziewać pod koniec pierwszej połowy bieżącego roku.

W rynku urządzeń GPS ma także udział Texas Instruments, dzięki swojemu najnowszego produktowi dedykowanemu dla urządzeń przenośnych - NaviLink 5.0. Układ ten pracuje zgodnie ze standardem A-GPS i ma możliwość współpracy z procesorami zewnętrznymi TI’s OMAP oraz OMAP-Vox.

Istnieją również kompleksowe rozwiązania. Jednym z przykładowych rozwiązań jest zintegrowany moduł GPS firmy DeLorme. Jest to urządzenie oparte na odbiorniku STA2056 produkowanym przez STMicroelectronics. Układ jest wytwarzany w obudowie o wymiarach 25x25mm i łączy w sobie pełen zestaw elementów elektronicznych niezbędnych do prawidłowej współpracy z systemem GPS: niskoszumowy wzmacniacz, filtr SAW, elementy przetwarzające sygnał GPS po przeniesieniu go w pasmo podstawowe, generator lokalny oraz wzmacniacz mocy. Wystarczy dołączyć zewnętrzną antenę, umożliwić transmisję danych oraz zapewnić źródło zasilania, by złożyć kompletny odbiornik GPS.

Większość oprogramowania jest zazwyczaj dostarczana wraz ze sprzedawanym sprzętem, ale oprócz tego istnieją też niezależne rozwiązania. Jednym z nich jest system Navigator firmy Rand McNally and TeleCommunication. Ma on możliwość rozpoznawania głosu i przyjmowania w ten sposób głosowych zapytań o poszukiwany adres, a także sam na głos udziela wskazówek. Navigator jest więc systemem w pełni głosowym i na dodatek umożliwia też bezprzewodową łączność z zestawem słuchawkowym, poprzez który kierowca jest krok po kroku prowadzony do celu. System informuje również prowadzącego o występujących na trasie korkach. Producent Navigatora nadzoruje też Xypoint SUPL Server, który jest zgodny z protokołem SUPL (Secure User Plane Location) opartym na IP. Przeznaczony jest on do zastosowań w systemie A-GPS, zdefiniowanym przez OMA (Open Mobile Alliance). Standard ten używa istniejącej infrastruktury sieci do przesyłania danych pomiędzy urządzeniem przenośnym i serwerem A-GPS. Ma to na celu wprowadzanie serwisów LSB (Location-Based Services), które umożliwiałyby nawigację, śledzenie obiektów a także służyły do celów marketingowych. Innym rozwiązaniem w systemie A-GPS ma być TruePosition SUPL Server. Pozwalałby on, przy wykorzystaniu obecnych możliwości łączności bezprzewodowej, na tworzenie precyzyjnych serwisów służących do wyznaczania położenia i nawigacji, które mogłyby trafić do szerszego grona użytkowników.

Podsumowanie

Rynek GPS rozwija się w oszałamiającym tempie, a sprzyjać temu z pewnością będą plany rządu USA, który ogłosił niedawno, że planuje przeznaczyć do cywilnego użytku systemu GPS kolejne częstotliwości. Jest to kolejny pozytywny gest administracji rządowej w kierunku prywatnych użytkowników GPS. Pierwszym była decyzja prezydenta Clintona podjęta w roku 2000 o zaprzestaniu celowego zakłócania przez wojsko sygnałów odbieranych przez cywilne odbiorniki.

Monika Jaworowska