Chapter 18 GPS and Location-Based Services

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1 Chapter 18 GPS and Location-Based Services
Yu-Chee Tseng cs.nctu.edu.tw

2 (week 2) 10 Applications of LBS 10 applications that make the most of location (Wired Magazine, )

3 1. Drive Fast, Avoid Cops Trapster (iPhone, BlackBerry)
report red-light cameras, speed cameras, cops hiding, …

4 2. Sleep Easy, We’ll Wake You Up
iNap (iPhone) Linked to Google map. As long as your GPS gets signal, it will wake you up at designated destinations.

5 3. Target and Tag Location Game
JOYity (Android) 3 location-savvy games (e.g., when a tag is within 80 feet, press trackball on your phone to execute the tag)

6 5. Scan a Barcode, Find a Deal
4. Call a Cab Cab4Me (Android) 5. Scan a Barcode, Find a Deal ShopSavvy (Android) help you to find a cheaper deal somewhere else 6. See the World, Google’s Eyes Google Earth (iPhone)

7 7. Train Your Phone to Know Its Place
Locale (Android) turn off your ringtone at programmed places can also change your wallpaper and disable WiFi at programmed areas.

8 8. Look Up! Be a Stellar Student.
GoSkyWatch (iPhone) to get the name of a star, just point the back of your phone toward it (thanks to iPhone’s accelerometer)

9 9. Dark Alley? Call for Help.
SafetyNet (Android) Use its map to select bad neighborhood areas. When you are in these areas, your mobile phone will enter watchdog mode. If trouble arises, just “shake” the handset, and your phone will start sending your location to your friends/families every 30 sec., take a picture, turn on speaker, and dial 911.

10 10. Find Public Bathrooms! SitOrSquat (iPhone, BlackBerry)

11 (week 2) Introduction to GPS

12 GPS系統組成 GPS consists

13 GPS系統架構 Space segment GPS衛星特性 全球3-D分佈 軌道高度：20,200公里 繞地一週：11hr 58min
至少要24顆定位衛星。 分佈在地球中高軌道(20200km)的六個軌道面，軌道與赤道面傾斜角55度，每個軌道有四顆衛星。 地球上任點向上15度仰角，可以看到4~8顆衛星。 帶有原子鐘作為計時用 GPS衛星特性 全球3-D分佈 軌道高度：20,200公里 繞地一週：11hr 58min 衛星顆數：24顆/ 6軌道 軌道傾角：55° 坐標系統：WGS 84

14 GPS定位技術 計算定位點至衛星之距離 使用Time of arrival (ToA)距離計算法 距離(D) = 速率(V) x 時間(T)
光速 △t

15 GPS定位技術 三角定位法 假定先考慮平面空間，三角定位法是利用欲定位的目標與三個以上的已知道位置間的量測距離，在無量測誤差的狀況下估算出位置。 定位目標(x,y)有一接收器，假定與A、B、C分別量測距離為r1、r2、r3，根據三圓形相交位置推估(x,y)。 (x,y) r1 r2 r3

16 GPS定位技術 (續) Position calculation 使用三角定位計算定位點 利用第四顆衛星之資訊做修正
教學影片： (3:41)

17 GPS訊號 GPS 系統所提供的定位服務有兩個層級： 標準定位服務(Standard Positioning Service，SPS)
使用GPS L1 頻率，包含C/A 碼（Coarse Acquisition Code） 精準度小於12.8 公尺（95%） 時間精準度40ns以內（95%） 精確定位服務(Precise Positioning Service，PPS) 此服務需要經過美國政府的授權 使用GPS L1 及L2 頻率傳送P(y) 碼 使用兩個頻率精準度小於11.8 公尺（95%） 使用一個頻率的定位精準度小於12.6公尺（95%） 時間精準度40ns 以內（95%）

18 GPS訊號 (續) C/A 碼提供民用的GPS 接收器使用，而P(y) 碼則作為軍用用途民用部分的頻率將會增加L2的L2C 碼及供救生用途的L5（ MHz），軍用部分也會在L1 及L2增加M 碼。 各個不同的L 頻段的頻率與用途如下表所示:

19 GPS訊號 (續) GPS signals L1 carrier: 1575.42MHz, L2 carrier: 1227.6 MHz
PRN (pseudo random noise): 用以識別衛星 C/A (coarse acquisition) code, P (precise) code

20 Navigation messages System time and clock correction values
Its own highly accurate orbital data (ephemeris) Approximate orbital data for all other satellites (almanac) System health, etc. Need 25 different frames

21 Almanac data From:

22 各國衛星導航系統 Global Navigation Satellite System (GNSS)
Global Positioning System (United State) Full operational GLONASS (Russian) Restored to full operation Galileo (European Union) Initial deployment phase BeiDou (People’s Republic of China) Expand regional to global QZSS（Quasi-Zenith Satellite System) (Japan)

23 LBS（Location-Based Service）

24 LAB運作原理 LBS 服務大致可分為兩類： LBS 系統組成包含以下幾項： 一是不具有無線資料傳輸能力的封閉系統，例如GPS 專用系統；
而另一類則是以GSM、3G 或WiFi做為資料、語音甚至多媒體的通訊管道，並同時具有定位功能的系統，此又稱為行動位置服務（Mobile Location Based Service；MLBS）系統。 LBS 系統組成包含以下幾項： 定位系統 應用伺服器或地圖資料庫 應用介面

25 LBS服務應用 行動安全 交通應用 智慧型圖書館的導覽服務 博物館的導覽服務 商業與購物廣告付費 娛樂與多媒體影像地點管理

26 AGPS、DGPS介紹

27 AGPS種類 A-GPS 系統主要可以分為兩大類，分別為:
連線式A-GPS（Online A-GPS）：在定位時，透過網際網路連線至全球參考網路取得所需的衛星訊息。 離線式A-GPS（Offline A-GPS）：離線式A-GPS 則是事先將衛星訊息下載至GPS 接收器，定位時無需連線即可定位。

28 AGPS原理介紹 A-GPS (Assisted GPS) 以GPS為基礎的一種定位技術
可增進GPS startup performance 透過基地台signaling(control plane)或網路封包(user plane)取得Navigation messages

29 DGPS原理介紹 在選效誤差（SA）還未關閉之前，由於GPS 具備了選效誤差，DGPS（Differential GPS，差分全球定位系統）因此被研發出來，作為提供更準確的定位的解決方案。 DGPS為加強GPS系統的準確度，利用地面固定位置的參考站（Reference Station）為自己的位置及時間計算出差分修正（Differential Correction），並廣播這像資訊給GPS 接收器作為修正定位的依據。

30 GPS 與 A-GPS 差異比較 GPS A-GPS 定位範圍 須於室外見天環境 。 於樹蔭下、高樓林立的市區環境，定位精準度差。
於室內無法定位。 在基地台涵蓋範圍內皆可定位。 包括室內、室外、市區、 郊區、鄉村等。 精準度 誤差範圍達 5-30m以上 誤差範圍最佳可達 5-15m。 開機時間 冷開機 (Cold Start) 時間 高達 30 秒 ~15 分鐘之久。 沒有冷開機 (Cold Start)，8 秒內即可迅速定位。 耗電性 耗電力高。 較省電。