Repeatere
Vil det ikke være mulig at bygge jord-baserede repeatere, som selv få deres position fra satellit og hjælper til i tætte områder som banegårder?
Amerikansk navigationsekspert: »Vi har brug for langt flere satellit-systemer«
Foreløbig er det amerikanskkontrollerede GPS nok det, som mange forbinder med et satellitbaseret navigationssystem, men det kommer formentlig til at ændre sig om få år. Omkring 2014 forventes den noget forsinkede europæiske pendant til GPS, Galileo, at være delvist operationel, og i slutningen af 2020 er det planen, at systemet vil være i fuld drift. Og Rusland er i fuld gang med at udbygge og forbedre det eksisterende navigationssystem Glonass, ligesom Kina arbejder på et navigationssystem kaldet Compass.
Men hvad kommer alle disse navigationssystemer egentlig til at betyde for verdensbefolkningens dagligdag? Det bad Ingeniøren professor ved det amerikanske Stanford University Per Enge om hjælp til at opklare, da han for nylig var i København.
Per Enge er leder af universitetets GPS-forskningslaboratorium, og han er en af verdens førende eksperter inden for satellitbaserede navigationssystemer, også kaldet GNSS'er (Global Navigation Satellite System).
Hvad kommer det til at betyde, at vi får flere GNSS'er?
»Mit yndlingseksempel er Positive Train Control (et sikkerhedssystem til tog, red.), der giver mulighed for at skelne mellem, om toget befinder sig på det ene eller det andet spor. Jeg mener ikke, det kan lade sig gøre med et enkelt GNSS i dag. Årsagen er, at toget ofte befinder sig ved banegårde og i bymæssigt miljø,« siger Per Enge.
Reflekser mindsker nøjagtighed
Problemet med signalerne fra GPS-satellitterne i bebyggede områder er, at de kan reflekteres på elementer som mure, biler og tage - som det også er tilfældet med lys. Og når GPS-signalerne reflekteres, er det særdeles vanskeligt at garantere en minimums-nøjagtighed for positioneringen, forklarer Per Enge.
GPS-unøjagtigheden i bymiljøet bevirker, at det er svært at afgøre med sikkerhed, om et tog befinder sig på det ene eller andet af to parallelle spor - og det kan give en farlig situation, fordi det dermed også er svært at afgøre, om toget er på kollisionskurs med et andet tog. Det gør det vanskeligt at basere kritiske systemer inden for eksempelvis togsikkerhed alene på satellitnavigation, selvom sådan en løsning kunne være relativt billig at anvende sammenlignet med eksempelvis at trække kabler langs skinnerne for at afgøre togets position.
Men i takt med, at flere GNSS'er dukker op på himlen, kan systemer til togsikkerhed dog alligevel benytte nogenlunde pålidelig satellitnavigation. Flere satellitter betyder nemlig også, at det er muligt at udskifte reflekterede signaler med mindre fejlbehæftede signaler fra andre GNSS'er.
»Hvis man begynder at 'smide' satellitter væk, er det nødvendigt at have en masse reservesatellitter. For at kunne navigere tog ved banegårde og i byer har vi behov for virkelig mange satellitter,« siger Per Enge.
Men hvor nøjagtig er GPS i dag?
»Well ... en centimeters nøjagtighed er let at opnå, men det er under åben himmel. Men i en by eller ved en banegård, med så mange refleksioner, kan du glemme alt om en garanteret grænse på en centimeter. Med en enkelt konstellation skal du være glad, hvis du kan garantere 20 meters nøjagtighed,« siger Per Enge og tilføjer:
»Og selvfølgelig er afstanden mellem skinnerne meget mindre end 20 meter. Men når der er flere konstellationer (satellitgrupperinger, red.), kan man begynde at identificere, hvilke af signalerne der lider af disse refleksioner, og så kan man udelukke dem. Vi føler os ret sikre på, at i den situation (med flere GNSS'er, red.) kan vi komme ned på en meter eller bedre. Det er noget af det, der virkelig kommer til at rykke med flere konstellationer.«
Flere GNSS'er kommer ikke alene til at influere på nøjagtigheden af satellitnavigation; også det, Per Enge kalder integriteten, bliver forbedret - det vil sige den garanterede nøjagtighed.
»Det rækker ud over nøjagtighed. Nøjagtigheden fortæller, hvad fejlmarginen er det meste af tiden. Integritet fortæller, hvilken fejlmargin du kan garantere - som du tør satse dit liv på. Og det er langt vanskeligere. Der er masser af GPS-baserede systemer, hvor nøjagtigheden det meste af tiden er 50 centimeter. Men man kan ikke derfra sige: 'Oh, og jeg garanterer, at nøjagtigheden altid er bedre end to meter'.«
At finde falske signaler
- Og hvis integriteten skal være tilstrækkelig i forbindelse med eksempelvis tognavigation, kræver det flere GNSS'er?*
»Præcis. To ting opnås (med flere GNSS'er, red.): For det første integritet i obstruerende miljøer. Og for det andet det at kunne autentificere et GPS-signal,« siger Per Enge.
Autentificeringen handler om at kunne afgøre, om der er tale om et ægte GNSS-signal eller et falsk signal, som bliver udsendt af en person, der har til formål at få modtageren til at tro, en fysisk position er en anden, end det faktisk er tilfældet. Fænomenet kaldes også spoofing. Per Enge forklarer, at det er relevant at kunne beskytte modtagere mod spoofing, hvis GNSS-signaler eksempelvis bliver brugt i forbindelse med finansielle transaktioner, hvor positionen er afgørende.
Det kunne være, hvis et pengebeløb skal overføres fra en mobiltelefon til en anden mobiltelefon, forudsat de fysisk er tilstrækkeligt tæt på hinanden. Og her er det vigtigt, at telefonernes position kan fastslås nogenlunde nøjagtigt, så pengeoverførslen ikke ender på den forkerte konto.
»Når der er flere GNSS'er, vil det være muligt at detektere falske signaler, og det bliver vigtigt, når folk begynder at lave finansielle transaktioner, som er afhængige af den position, telefonen oplyser,« siger Per Enge.
Hvad synes du er den meste interessante udvikling for øjeblikket inden for GNSS-området?
»Jeg kan virkelig godt lide sikkerhedsaspektet ved det. Med alle disse signaler og via teknologi vil vi ikke alene være i stand til at gøre GNSS'er sikre, de vil være så sikre, at de vil kunne 'udlåne' deres sikkerhed til finansielle transaktioner og kommunikationssystemer.«
Hvad er de største udfordringer, GNSS står over for?
»Jeg synes, der er et par ting, som er blevet gjort godt i forhold til GPS. Det er blevet vedligeholdt og betjent virkelig godt. Så det er altid vokset i styrke, og hvis der har været et problem, har der været stor åbenhed omkring det: 'Hey, se, det var en overraskelse', og så har alle kunnet følge med og komme med et bud på, hvad der skulle gøres. Så hvis der er noget, jeg vil opfordre Europa, Kina og Rusland til at gøre, er det fra starten af at sikre åbenhed. Lad være med at skjule problemerne, fortæl om dem,« lyder opfordringen fra Per Enge.
Per Enge
Per Enge er professor ved Stanford Universitet i USA, hvor han leder universitetets GPS-laboratorium. Her bliver der udviklet systemer til satellitnavigation, som baserer sig på GPS.
Det vil blandt andet sige systemer til forbedring af GPS' nøjagtighed. Derudover arbejder laboratoriet på løsninger, som kan imødegå GPS-modtageres sårbarhed over for interferens fra radiobølger.
For sit arbejde har Per Enge modtaget Kepler-, Thurlow- og Burka-prisen fra Institute of Navigation (ION). Han er desuden medlem af det Nationale Akademi for Ingeniørkunst (National Academy of Engineering).
Kilde: waas.stanford.edu/people/enge.htm
Læs også
Re: Repeatere
Jo, men det er jo ikke så morsomt som at sende sattelitter op! :-)
Men sattelitter har også den fordel at de dækker et meget større område, og med en repeater (eller et beacon), risikerer man også at gøre problemet værre, fordi man på en vis distance vil skabe interferens i radiomodtagelsen.
Re: Repeatere
Vil det ikke være mulig at bygge jord-baserede repeatere, som selv få deres position fra satellit og hjælper til i tætte områder som banegårder?
Jeg kan ikke se hvordan det skulle være muligt at lave deciderede repeatere, da det indføre forsinkelse på signalet, og denne forsinkelse er forskellig alt efter hvor du er i forhold til repeateren. Og modtageren forventer at forsinkelsen svare til afstanden til satellitten.
Men det kunne give mening at lave en ny generation af jordbaserede systemer til erstatning for DECCA, LORAN, VOR/DME og hvad de gamle systemer nu ellers hedder. I princippet kunne denne teknik bygges ind i mobil masterne.
Det at flere og flere systemer bliver mere og mere afhængig af primært GPS er lidt bekymrende da systemets availability, og integrity ikke kan garanteres.
Her vil det hjælpe med flere uafhængige systemer som beskrevet i ovenstående artikel.
Men en kraftig solstorm vil muligvis kunne sætte alle GNSS systemer ude af spil, her vil jord stationer kunne hjælpe.
Det største problem bliver at beskytte mod falske jordstationer, ellers ender det som i den film hvor nogle teorister hijacker et ILS system for derved at få fly til at lande uden for lufthavnen.
Jernbaner
Lige netop til jernbaner virker det noget overdrevent, da de jo er bundet til skinnerne. Det må være enklere med nogle tags og læsere som det bruges i idræt. Informationerne skal alligevel samles i tog og central, så almindelig jordisk kommunikation er stadig nødvendig.
Re: Jernbaner
Nu er det jo ikke fordi man sender satelitterne op fordi man gerne vil overvåge toge, men NÅR de er der. Så kan man jo ligeså godt bruge dem.
GPS har en bedre oppetid end RFID tags. GPS virker også bedre når du kører ved høje hastigheder. Og så har du også det problem at at du skal sætte tags på alle sporskiftere, og det er ikke almindelige tags som du bruger i idræt, det er tags som kan klare et tog køre tæt på dem, og at det er -40 grader. Og hver gang en går istykker så skal du sende en person ud og fixe det. Koster sikkert mere i længden end at køre toget ind til den mekaniker som alligevel står klar til at skifte et stykke elektronik. Så er det noget billigere at vente på at der er nok satelitter oppe til at man kan bruge det.
Det er jo ikke et system som er nødvendigt lige nu, fordi hvor mange kollisioner sker dagligt? Men det er et system, som med høj oppetid og med stor præcision kan gøre kollisioner "umulige" til forholdsvis små penge.
Re: Jernbaner
GPS har en bedre oppetid end RFID tags.
Nej! RFID tags på banelegmet, har 100% oppetid, og kan ikke jammes. GPS kan forstyres, og kan også jammes. GPS er ikke brugbar til navigering, på grund af sikkerhedsrisikoen.
Jeg kan ikke udelukke, at RFID kan have problem med EMP. Men det problem, vil sikkert kunne løses, hvis man byggede dem til det. Et lynnedslag f.eks. direkte i en RFID tag, kan sandsynligvis også sætte dem ud. Derfor, er meget vigtigt, med flere RFID tags - hvis jeg havde lavet systemet, så vil jeg have flere placeret med nogle meters afstand, og ikke basere det på en enkelt, ligesom i ERTMS systemet. ERTMS systemets RFID tags, er tilmed forbundet med ledning, hvilket øger risikoen. ERTMS systemets "tags" er også så dyre, at man ikke umiddelbart føler sig fristet til, at placere flere end nødvendigt. De kunne være lavet ligeså billige som rejsekort. Og slås i træsvellerne automatisk af en robot på en togvogn, hvis de ikke skulle forbindes med ledning.
RFID har kun en rækkevide på få meter. De er egnet til navigering for tog, som i ERTMS systemet. Men de kan i almindelighed ikke bruges til navigering. De kan f.eks. bruges i nummerplader, men vil sædvanligvis have kortere læseafstand, end normale nummerplader. Typisk er rækkeviden max. 3 meter, for en passiv RFID, og op til 100 meter, for en aktiv der har indbygget batteri, som holder op til ca. 10 år.
RFID brikker ved tognavigering er meget sikker, og da togets afstand fra RFID brikken er kort, så er intet problem at aftaste den. Det største problem er togets hastighed, der kræver RFID brikken aflæses hurtigt, samt de store mængder af "jern" der medfører tab på signalerne. Problemerne er dog ikke stort. Den hurtige hastighed, kan gøres langsommere, ved at placere mange antenner under toget, så signalerne modtages tæt på RFID brikken. Og det er ikke et problem, at lave en sendeantenne, der kan sende nok energi ud, over et større område, så RFID'ens kondensatorer kan "oplades", før den aftastes.
De tags som anvendes til ERTMS systemet, er ikke standard RFID tags. Standard RFID tags, sender og modtager på samme frekvens, og modtagningen sker ved, at måle tabet. Det er ikke bedste måde i togsammenhæng, da tabet jo afhænger af jernet, og rystelser vil give falsk signal. Siemens bruger derfor to forskellige frekvenser - en til at sende med, og en til at modtage med. Hvor siemens adskiller sende og modtagningen ved at vælge forskellig frekvens - og sender energien på en frekvens, meddens data modtages på en anden, så kan man også som alternativ til forskellig frekvens, bruge tidsmultiplexing - altså sende og modtage, på forskellig tid. Specielt, er her interessant, hvis man sender et "1" tal, umiddelbart før der modtages. Derved oplades LC ledet, så det svinger, og man kan relativt nemt, få sendesignalet afbrudt hurtigt. De normale tab, vil ikke kunne medføre en frekvens, der svarer til RFID tag'ets resonansfrekvens, da de ikke indeholder et afstemt LC led. Så når sendesignalet afbrydes hurtigt, så er der kun tag'ets LC led, som kan give eftersvingninger, og disse kan modtages med meget følsomme modtagere, eventuelt kan monteres flere, så afstanden er kort. Det signal, som de modtager, er forholdsvis ufølsomt overfor tabs-modulationer, da det er et almindeligt AM signal, eller evt. FM signal som modtages (f.eks. kan LC kredsen moduleres frekvensmæssigt, ved at kortsluttes kortslutte en kapacitet, der enten er i serie med kondensatoren i svingningskredsen, eller parallelt med svingningskredsen). Man kan også nemt lave modtageren, så den ikke påvirkes af det kraftige sendesignal, der blev sendt kort tid før, f.eks. ved at sikre sig,, at modtagerens LC led ændrer resonansfrekvens, eller kortsluttes, så de ikke påvirkes af det kraftige signal. Det interessante ved denne metode, er at den stort set svarer til aflæsning af normale RFID tags, men modtageren er lavet på anden måde. Hvor en normal modtager, er meget følsom overfor metal der ryster i nærheden, så er den langt mere robust, fordi at der ikke sendes samtidigt, men satses på, at tag'ets LC kreds, kan holde energien i lidt tid. Det vil den normalt kunne, hvis den ikke aflades af en transistor, der kortslutter kredsen. Selve kredsens forbrug, er normalt beskeden, fordi den opholdes af kredsens kapaciteter, der virker som en afkoblingslyt. Den vedbliver derfor at svinge uproblematis, efter sendeenergien forsvinder, og der er kun meget lidt tab, fordi den ikke leverer energi til chippen, da svingningskredsens amplitude falder, til under den spænding, som er på afkoblingen. Det muliggør, at RFID chips, også kan aflæses stabilt, og med en meget følsom modtager, samt over et stort område. Og muligvis bruges til tog. Det største problem, er måske at man skal designe sin egen RFID modtager på toget, da de standard komponenter der kan købes, er lavet til at detektere modulering af tab, og ikke til at detektere, om eftersvingningerne findes i tag'ens LC kreds. Et andet godt trik, ved aflæsning af RFID tags, er at tag'ens LC kreds, kan detekteres på stor afstand, ved at skiftevis "oplade" den, og herefter modtage eftersvininger. Det giver måske lovmæssige betænkligheder, og er årsag til, at metoden undgås, i kommercielt læseudstyr. Mens der for nogen, jo kan være godt, at det godt kan laves.
Re: Jernbaner
Og slås i træsvellerne automatisk af en robot på en togvogn, hvis de ikke skulle forbindes med ledning.
Det er ellers ikke mange steder der er træsveller tilbage efterhånden.
Re: Repeatere
[quote]Vil det ikke være mulig at bygge jord-baserede repeatere, som selv få deres position fra satellit og hjælper til i tætte områder som banegårder?
Jeg kan ikke se hvordan det skulle være muligt at lave deciderede repeatere, da det indføre forsinkelse på signalet, og denne forsinkelse er forskellig alt efter hvor du er i forhold til repeateren. Og modtageren forventer at forsinkelsen svare til afstanden til satellitten.
[...]
Det største problem bliver at beskytte mod falske jordstationer, ellers ender det som i den film hvor nogle teorister hijacker et ILS system for derved at få fly til at lande uden for lufthavnen.
[/quote]
Der findes allerede "repeatere", omend de går under en anden betegnelse.
Som Per Enge nævner, så er der to vigtige punkter at optimere for GNSS:
1) Præcision
2) Integritet
Integritet betyder, at det kan godt være at din GPS modtager siger din position er inden for f.eks. 10 cm - men kan du regne med at det er rigtigt? Større "integrity" betyder større chance for, at det er en korrekt position. Det er vigtigt at forstå forskellen mellem præcision og integritet.
Begge dele kan forbedres ved "augmentation", dvs understøttelse. Dette findes allerede i dag, både fra satellitter (WAAS), samt fra jordstationer (LAAS).
WAAS - Wide Area Augmentation System,
har nogle jordstationer som måler deres GPS position, og sender fejlen til et center, som derefter samler alle målinger og sender dem op til nogle geostationære satellitter. Disse satellitter videresender derefter informationerne.
Den eneste grund til at man bruger geostationære satelliter er, at man kan nå så mange modtagere som muligt. Satelliterne i sig selv er kun formidlere, ikke en del af selve udregning af position (i modsætning til selve GNSS satellitterne.)
I USA hedder WAAS systemet bare WAAS, mens den Europæiske version hedder EGNOS, og den Japanske MSAS. WAAS har været i brug i ca 10 år allerede, og de fleste GPS modtagere understøtter WAAS. I nogle af dem kan man endda slå det til og fra.
Se EGNOS her: http://en.wikipedia.org/wiki/European_Geos...
LAAS - Local Area Augmentation System,
også kaldet GBAS, fungerer efter samme princip som WAAS, men fejlkorrektionen sendes direkte ud lokalt, ikke via et center til geostationære satellitter. LAAS/GBAS vil være en vigtig del af fremtidens landingssystemer til fly - og det bruges allerede nogle steder. En ILS anflyvning erstattes herefter af en GLS anflyvning, som er GNSS/LAAS baseret. Se f.eks. en forklaring her: http://www.faa.gov/about/office_org/headqu...
-
Fordele/ulemper ved de to systemer er
WAAS: Stor dækning, dvs et stort område, og for mange brugere på en gang, men ikke så præcist som LAAS
LAAS: Lokal dækning, men mere præcist end WAAS.
For begge systmer gælder, at det hovedsageligt er de atmosfæriske fejl som kan rettes. Dertil gælder at man enten skal kunne se en af de geostationære satellitter (som er sværere jo længere mod polerne man kommer), eller en lokal LAAS sender (som kun dækker meget begrænset).
Står man derfor mellem nogle høje bygninger, er WAAS ikke nogen hjælp. LAAS kan være det, i nogle tilfælde. GNSS systemer bruger afstand og tid, og ikke vinkler som f.eks. VOR navigationshjælpemidler (til fly). Derfor vil præcisionen blive forringet, når de satellitter man kan se alle er i en snæver vinkel.
Det er samme princip som når man i skib eller fly laver en krydspejling - de stationer man pejler efter skal helst med 90 grader imellem, for at give et godt fix - mens to eller tre stationer i en klump giver nedsat præcision.
Skal man bruge LAAS til sikring af tog, kræver det at man opstiller LAAS enheder langs alle skinnerne, og det kræver en hel del enheder.
Men jo, det kan sagtens lade sig gøre.
Jeg kunne godt forestille mig, at der i fremtidens navigations-system indgår et netværk af LAAS stationer lokalt, der hvor der er mange brugere, specielle behov mm. Hvis de stod i en kæde langs jernbaneskinner, kunne de også potentielt benyttes af andre GNSS brugere i nærheden.
Flere links her
Re: Jernbaner
GPS har en bedre oppetid end RFID tags.
Jernbanernes RFID tags er baliser. Og det er en velprøvet og driftsikker tekniklogi, som svenskerne har brugt siden 80'erne. Baliser, som er ikke er afhængig af signaler, kan passe sig selv i årevis. De strømforsynes via induktion når en tog passeres mens dens telegram sendes op i toget.
Kommentarer (8)