Sistemas de posicionamento

Transcrição

1 Sistemas de posicionamento Uma visão geral sobre o posicionamento outdoor e indoor MAC Computação Móvel Tales Pinheiro de Andrade tales@ime.usp.br

2 Sistemas de localização Métodos de posicionamento Triangulação, trilaterateração, multilateração Sistemas Outdoor GPS, Glonass, Galileo, Compass Sistemas Indoor WBLS, Cricket, Active Bats, IPS Conclusão

3 Introdução: Posicionamento Triangulação Trilateração Multilateração

4 Triangulação Determinação da distância pelas propriedades dos triângulos

5 Trilateração Usa a localização conhecida de 2 ou mais pontos de referência e a medida de distância entre o objeto e cada ponto de referência Para a determinação de forma precisa da localização usando apenas Trilateração, são necessários 3 pontos de referência

6 Trilateração Estando no ponto B, é desejada a posição relativa aos pontos P1, P2, e P3 em um plano 2D. Medindo r1, restringimos sua posição à um círculo. Em seguida, medindo r2 restringimos as posições dos pontos A e B. Uma terceira medida, r3, nos dá as coordenadas de B. Uma quarta medida pode ser feita para reduzir e estimar o erro.

7 Multilateração ou Pos. Hiperbólico Localiza um objeto a partir de pontos de referência com posições físicas conhecidas Mede posicionamento pela Diferença de Tempo de Chegada (TDOA) Usado para localização de aviões, veículos ou emissor estacionário

8 Multilateração ou Pos. Hiperbolico Usando a diferença de tempo de chegada entre dois receptores (pontos de referência), localiza o objeto no centro de uma hiperbóloide de folha dupla Com um terceiro ponto de referência é determinada a posição espacial do objeto

9 Sistemas de localização Posicionamento relativo localização é relativa dentro de um sistema pré-determinado Posicionamento absoluto Localização dentro de um sistemas de coordenadas globais

10 Sistemas Globais de Navegação via Satélite Termo genérico Designa sistemas de navegação via satélite que provêem posicionamento geo-espacial autônomo com cobertura global Permite que um receptor em terra determine sua posição geográfica baseada em sinais de tempo

11 Sistemas Globais de Navegação via Satélite GNSS-1 GNSS-2 Core Satellite Navigation System GPS, Galileo e Glonass

12 Sistemas Globais de Navegação via Satélite Ground Based Augmentation Systems (GBAS) Continental GRAS Australiano e o Differential GPS (DGPS) Americano. GBAS Regionais CORS.

13 Sistemas Globais de Navegação via Satélite Global Satellite Based Augmentation System (SBAS) Omnistar e Starfire Sistemas Regionais de navegação via Satélite QZSS, IRNSS e Beidou Regional SBAS WAAS, EGNOS, MSAS e GAGAN

14 Sistemas Globais de Navegação via Satélite Histórico Predecessores usavam sinais de rádio a partir de bases ao invés de satélites Transit - primeiro sistema via satélite Baseado no efeito Doppler

15 Sistemas Globais de Navegação via Satélite Atualidade Sistema mais preciso Satélite envia sua posição e o horário preciso que o sinal foi transmitido Receptor controla diferença de horário entre envio e recepção (Time-to-Flight)

16 Sistemas Globais de Navegação via Satélite A medição pode ser feita em diversos satélites ao mesmo tempo Cada medição coloca o receptor em uma esfera Com as diversas medições, um ponto onde as esferas se encontram é determinado

17 Sistemas de pos. Relativo Normalmente usam multilateração Localização via GSM Pode ser híbrido (A-GPS) DECCA, Omega, Loran, RTLS

18 Sistemas de pos. Relativo Omega Primeiro sistema de rádio localização global usado para aviação, fechado em 97 Decca 2a. Guerra Mundial, depois usado por barcos pesqueiros e aviação civil, fechado em 2000 Loran Sistema de radio localização terrestre, ainda em uso, mas em declínio

19 Precisão bidimensional dos sistemas

20 GPS O mais conhecido Até 2007, o único plenamente operacional Criado e mantido pelo Departamento de Defesa dos EUA As vezes chamado erroneamente de sistema de navegação Gratuito

21 GPS Transit, a primeira rede com 5 satélites fornecia a posição aproximadamente a cada 1h Em 1967, os satélites Timation foram desenvolvidos, fornecendo relógios precisos no espaço Na década de 70, Omega entra em operação, baseado na comparação de fase

22 GPS Inspiração veio do efeito Doppler percebido pelos americanos na análise dos sinais do Sputnik e em sistemas baseados em Terra Liberado publicamente para uso em 1983 através de decreto do Presidente Reagan após incidente russo com avião civil coreano

23 GPS Para uso, basta possuir um receptor Disponível pelo DoD em duas versões: Standard Modelo civil, código C/A, Gold Code Precision Modelo militar, criptografado como P(y) Code

24 GPS Dividido em três segmentos: Espacial Satélites Controle Bases ao redor do Equador para gerenciamento e atualizações dos satélites Receptor

25 GPS Espacial Mais de 50 satélites Navistar já lançados pelos EUA Usa normalmente entre 24 e 36 satélites

26 GPS Espacial Satélite Transmite o horário preciso que a mensagem foi transmitida, a orbita do satélite transmissor e dados sobre o funcionamento de todos os satélites Atualmente 32 satélites divididos em segmentos não uniformes

27 GPS Controle Satelites são rastreados por bases ao redor do Equador As bases sincronizam os relógios atômicos com precisão de nanosegundos e as Efemérides (tabelas com posições de objetos astronômicos no céu em dado momento)

28 GPS Usuário Receptor: Consiste de uma antena ajustada para a freqüência dos satélites, processadores-receptores e um relógio estável. Podem incluir uma tela informando dados ao usuário Freqüentemente descrito pelo número de canais: o número de satélites que pode monitorar simultaneamente (atualmente entre 12 e 20)

29 GPS Usuário Receptor: É responsável pela decodificação do sinal e pelos cálculos de posicionamento Usa o horário de chegada para medir a distância de um satélite Com o sinal de mais de um satélite, usa trilateração para calcular a posição real

30 GPS Receptor: São necessários 4 satélites para o cálculo preciso Mas sabendo alguma condição inicial, (ex. altitude de um avião) 3 podem ser usados

31 GPS Sinais A cada 1:30 min o satélite transmite um pacote de 30s com bits (1 frame), dividido em subframes de 6s, cada frame dividido em palavras de 30 bits, 0,6s de duração Os dados são divididos em 1 subframe de dados de correção do relógio, 2 subframes de efemérides e 2 subframes de almanaque Dados transmitidos em freqüências L1( GHz) e L2(1.2276GHz) mas operam em 5 freqüências (algumas para controle, correções e modernização)

32 GPS Efeitos atmosféricos Fantasmas Erros nas Efemérides e nos relógios Disponibilidade seletiva Disponibilidade criptografada, necessário obter a chave com o Governo dos EUA Relatividade Relógio dos satélites variam regidos pela Relatividade Geral e pela Relatividade Espacial

33 GPS Aumento da precisão Sistemas de aperfeiçoamento WAAS, GPS diferencial, A-GPS, Monitoração precisa Manutenção do horário Diferença entre horário GPS e UTC

34 Glonass

35 Glonass GLObal'naya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (Global Navigation Satellite System) Desenvolvido pela URSS, agora operado pelas Forças Espaciais Russas: Alternativa e complementar ao GPS e ao Galileo Desenvolvimento começou em 76, com meta de cobertura global em 91 Satélites lançados entre 82 e 95, quando ficou plenamente operacional

36 Glonass Após completo, rapidamente começou a desaparecer com o colapso da economia russa Em 2001, o governo russo se comprometeu a restaurar o sistema, recebendo posteriormente ajuda da Índia Em 2007 se torna oficialmente livre e grátis para russos e estrangeiros, sem limitações Programa de restauro está avançado, com previsão de estar plenamente operacional

37 Glonass Desenvolvido durante a Guerra Fria para navegação e mira de mísseis balísticos É a segunda geração de um sistema russo de navegação Aperfeiçoa o sistema Tsikada, que exigia por volta de 2h para gerar o posicionamento

38 Glonass Características técnicas Constelação de 24 satélites, 21 para transmissão e 3 para reserva 3 planos orbitais, com inclinação de 120º, cada uma com 8 satélites Dispostos de modo a existir pelo menos 5 satélites visíveis ao mesmo tempo de qualquer parte do globo

39 Glonass Assim como no GPS, tem 2 sinais, ambos enviados nas bandas L1 e L2 Stantard Precision(SP): 57-70m hor./70m vertical High Precision(HP): precisão não divulgada, disponível apenas para usuários autorizados, como militares russos

40 Glonass Uragan-M ou Glonass-M, lançados em 2001 Tempo de vida 7 anos relógio de Césio interno Laser para determinação da posição Uragan-K ou Glonass-K Tempo de vida 12 anos Entram em serviço em 2009

41 Glonass Parcialmente operacional, com 17 satélites em funcionamento Priorizado navegação na Tchetchênia em degradação ao resto do mundo Em janeiro, com 13 satélites operacionais, cobertura era de 66.2% na Russia e 56% global

42 Glonass Cooperação internacional Índia divide custos de desenvolvimento e lançamento de satélites e terá seu território coberto mais rapidamente Acordo com EUA prevê conversão do sinal para permitir compatibilidade com GPS e Galileo Negociação com Cuba e Venezuela para permitir navegação balística

43 Galileo

44 Galileo Projeto da União Europeia como substituto/complemento ao GPS e ao Glonass Previsto para se tornar operacional em 2013 Começou controlado pela iniciativa privada Atualmente controlado pela Agência Espacial Européia

45 Galileo Se propõe a ser mais preciso que o GPS e o Glonass, principalmente em altas latitudes, além da altitude em relação ao nível do mar Principal motivação: garantir aos países da UE um sistema de posicionamento independente Intenção principal é o uso civil, mas sistemas mais precisos podem ser liberados apenas para militares ou de forma paga

46 Galileo Como no GPS, é apenas um sistema sensor que permite localização, sem características que suportem posicionamento Pode usar sistemas auxiliares (INS, sistemas de controle de propulsão e direção) para auxiliar no posicionamento

47 Galileo Histórico Após especificação inicial em 2000, o projeto sofreu um atraso por dificuldades financeiras Após ataque de 11 de Setembro, o projeto quase foi fechado por pressão americana e dificuldades financeiras O projeto foi retomado pouco tempo depois, como resposta a pressão americana 2004: assinado acordo de cooperação Galileo- GPS

48 Galileo Principal motivo foi a Disponibilidade Seletiva e a prioridade militar do GPS Em 2000, Bill Clinton desativa a Disponibilidade Seletiva, e novos satélites não possuirão mais esse recurso pelo programa de modernização do GPS, que incluirá também interoperabilidade entre GPS e Galileo

49 Galileo Caracteristicas técnicas 30 satélites 3 planos orbitais (9 satélites ativos e 1 de reserva por plano) com 56º de inclinação Tempo de vida do satélite maior que 12 anos Usa mulilateração

50 Galileo 4 tipos de serviço Open Service (OS): gratuito, usa duas bandas de transmissão, precisão <4m horizontal e <8m vertical usando 2 bandas, <15m hor. e <30m vertical usando apenas 1 banda Comercial Service (CS): criptografado, disponível sob pagamento, precisão <1m, bases em solo podem aumentar precisão para <10cm

51 Galileo Public Regulated Service (PRS): voltado para serviços de segurança (polícia, militares, etc) Safety of Life Service (SoL): para serviços de transporte com risco crítico, como controle de tráfego aéreo e pouso automático de aeronaves PRS e SoL têm precisão equivalente ao OS, mas recursos que garantem robustez e detecção confiável de problemas

52 Galileo Piloto GSTB-V1 validou em solo os algoritmos Orbit Determination & Time Synchronisation(OD&TS) GIOVE (Galileo In-Orbit Validation Element) GIOVE-A lançado em 2005 garantiu o uso correto da freqüência pelo ITU GIOVE-B lançado em 2008, tem processamento maior que GIOVE-A

53 Galileo Piloto GIOVE-A2, deve estar pronto para ser lançado, deve garantir a manutenção do uso da freqüência pela ITU Desde 2006, GIOVE Mission (GIOVE-M) vem analisando dados do GIOVE-A, explorando resultados experimentais baseado em dados reais, deve em breve passar a usar dados do GIOVE-B e em seguida do GIOVE-A1

54 Galileo Projetos de pesquisa usando o Galileo GEO6 - consórcio internacional de universidades, estuda a fundo o Galileo a fim de implementar novos usos AGILE - patrocinado pela UE, estuda aspectos técnicos e comerciais de Serviços Baseados em Localização, assim como uso em conjunto com outras redes, como GSM, WiFi, entre outras, já tendo apresentado alguns protótipos

55 Galileo China, Israel, Ucrânia, Índia, Marrocos, Arábia Saudita, Coréia do Sul já assinaram acordos de parceria de projeto e financiamento Brasil já possui um Galileo Information Centre (GIC) para toda a América Latina, em São José dos Campos

56 Compass Também conhecido como Beidou-2 Projeto chinês para GNSS Não é extensão do Beidou, mas projeto novo semelhante ao GPS e ao Galileo Inclui 5 satélites geoestacionários e 30 de orbita média Fornecerá cobertura completa no globo

57 Compass Baseado no CDMA, como o Galileo e a versão modernizada do GPS (Glonass usa FDMA) Também oferecerá serviços abertos e fechados para fins militares Considerando a interoperabilidade entre os sistemas, usuarios contarão com >75 satélites

58 Compass Usa 4 bandas de freqüências, facilitando interoperabilidade, mas causando interferência, principalmente no PRS do Galileo

59 Compass Dados sobre os sinais ainda não divulgados oficialmente Apesar disso, pesquisadores já conseguiram analisar os sinais do satélite experimental Com isso já conseguiram desenvolver um receptor

60 Compass Satélite experimental Compass-M1 já lançado, com papel semelhante ao GIOVE Está transmitindo em 3 bandas, cada um com 2 sinais com deslocamento de fase de 90º Aparentemente um será o serviço aberto e o outro restrito, pois transmite mais dados e está menos sujeito a interferência

61 Compass Dados dos sinais divulgados por estudo pelo CNES 2 meses após lançamento 1 mês depois, Stanford decodifica primeiro sinal De posse desses dados, Septentrio desenvolve primeiro receptor Características do sinal mais simples de 2 das bandas transmitidas é similar a freqüência civil do GPS, mas o sinal é mais forte

62 Curiosidades Geocaching: Geotagging: GPS-Drawing:

63 Sistemas Indoor Sistemas de localização de baixa potência, usado dentro de prédios, residências, hospitais, etc Normalmente necessitam infra-estrutura prévia instalada Podem ocasionalmente virem a ser usados em conjunto com sistemas outdoor

64 WBLS Wireless Based Location System Proposto por André Iasi Moura, como dissertação de mestrado na Escola Politécnica da USP Modelo probabilístico, baseado na potência do sinal recebido e freqüência de transmissão para construção de um mapa, que posteriormente é usado para localização

65 Cricket Baseado em radio-freqüência e pulsos ultra-sônicos Um dispositivo sinalizador envia sinais em canais RF e um pulso ultra-sônico Receptor usa diferença de propagação do som (pulso ultra-sônico) e da luz(sinal RF) para calcular distância Sinalizadores são configurados com identificadores espaciais Precisão entre 1cm e 3cm

66 Cricket Disponível comercialmente (módulos prontos) e de forma gratuita (diagramas eletrônicos e softwares para download) Protótipo já permite determinação de orientação

67 Active Bat Baseado em trilateração Receptores com sensor ultra-sônico embutido no prédio Precisão de 3cm Essa precisão é baseada na menor distância até 3 pontos de referência, então usando trilateração para localização Desenvolvido pela Univ. Cambridge, financiado pela AT&T

68 Active Bats Bats são dispositivos móveis equipados com um transdutor ultra-sônico, identificado por um código único Uma rede de sensores é posicionada no teto, interligados entre si, com suas posições absolutas gravadas em um banco de dados Um canal de rádio sincroniza todos os dispositivos

69 Active Bats Quando um Bat entra em uma rede, é adicionado ao canal de rádio, enviando um chilro quando solicitado Medição do tempo de vôo (ToF) para cada receptor que registrou o chilro Com isso é calculada a posição usando trilateração Cada Bat tem 2 transdutores ultra-sônicos, permitindo melhoria na medição

70 Indoor Positioning System Tecnologia desenvolvida pela Thales UK Research Technology (TRT) Baseada em freqüências ultra-wide-band (UWB) Não necessita infra-estrutura pré montada Aplicação para o pessoal de serviços de emergência

71 IPS Signals can be received through floors Placed reference Signals go through walls Fixed reference Mobile at known positon used as reference Distances between units measured by UWB Mobile unit to be positioned by triangulation One of very many reflected paths Placed reference This is illustrated in the graph below: only UWB can separate these closely spaced components

72 IPS

73 Conclusões Sistemas Outdoor Atualidade Apenas GPS realmente útil Muitos sistemas em desenvolvimento Muitas formas de aperfeiçoar o sistema, mas disponíveis regionalmente Futuro : explosão de sistemas disponíveis Diversos sistemas interoperaveis Aumento da precisão e serviços relacionados

74 Conclusões Sistemas Indoor Varias técnicas de localização (som, radio, UWB, etc) Em geral, precisam de infra-estrutura prévia Nenhum padrão interoperavel Apenas IPS planeja operação conjunta com sistemas outdoor Algumas técnicas ainda experimentais sem aplicações comerciais

75 Bibliografia

76 Bibliografia UltraWideBand Indoor Positioning - Indoor positioning to match the best satellite navigation performancestuart Ingram - The Cricket Indoor Location System - Cricket v2 User Manual The Bat System - 3D Ultrasonic Positioning for People and Objects - research/wiki/batsystem Moura, André Iasi, BLS: um sistema de localização de dispositivos móveis em redes Wi-Fi. - download.php/teses/disponiveis/3/3141/tde /publico/dissertacao_andre_cf.pdf