Určit polohu pomocí standardního přijímače GPS kdekoliv na světě se stává běžnou záležitostí. Systém, který je levný, uživatelsky jednoduchý a je odolný vůči meteorologickým vlivům a počasí, si velmi rychle našel své uživatele. Ovšem v jistých místech je tento způsob určování polohy nedostačující - je to hlavně v zastavěných oblastech jako jsou velkoměsta, údolí, tunely, podzemní garáže apod. Do těchto míst se signál dostává pouze stěží, a proto je jeho výkonová úroveň velmi nízká a běžnými GPS přijímači nelze tento signál zpracovat nebo jeho zpracování trvá neprakticky dlouho. Navíc v těchto oblastech vznikají odrazy signálu a jejich vzájemná interference, což se projevuje opět na rychlosti zpracování signálu a také na přesnosti celého „měření“. Na druhé straně je tlak na efektivní vyřešení tohoto problému velmi vysoký, jelikož právě v těchto oblastech je potřeba velmi přesná navigace a určení polohy - ve městech, kde GPS navigace velmi pomáhá při určování polohy chodců, při navigaci automobilů, prostředků městské hromadné dopravy či dalších dopravních prostředků. Např. v železniční dopravě je velikost signálu z družice nedostačující především v údolích, tunelech a stinných oblastech, ale i zde je potřeba určit polohu vlaku, jeho délku nebo rychlost.
Na poli řešení tohoto problému, odborně nazývaného indoor navigace (indoor navigation), se objevily zhruba dva způsoby – Assisted GPS (A-GPS) a navigace pomocí pseudosatelitů (pseudosatelites).
Jak již bylo řečeno v úvodu, systém A-GPS je jedním ze způsobů, jak vyřešit problém indoor navigace v problematických oblastech jmenovaných výše. V dnešní době jsou již přijímače GPS součástí mobilních zařízení jako jsou telefony GSM či mobilní osobní počítače. Tyto zařízení nacházejí oblast použití převážně v kancelářích či domácnostech, kde právě lze signál, vysílaný družicemi, zpracovat jen velmi obtížně, jelikož jeho výkonová úroveň je nízká, a proto určit polohu buď nelze vůbec nebo určení polohy trvá dlouho a je nepřesné.
Funkce A-GPS je založena na pomoci (asistenci) ke standardnímu GPS přijímači. Ten totiž po tzv. studeném startu hledá signál z družice pomocí prohledávání tzv. frekvenčně/kódového prostoru pomocí rozsáhlé paralelní korelace. Běžný GPS přijímač obsahuje pouze dva korelátory na každý kanál, kterými musí „prohledat“ každý z 1023 možných kódových zpoždění a pro nalezení signálu je třeba projít všechny sousední frekvenční pásma (obr. 1).
obr. 1 – výstup korelace – korelační peak standardní GPS
Aby hledání netrvalo příliš dlouho, je třeba prohledat 1 frekvenční pásmo v době kratší než 1ms. Tento limitující čas je omezující pro velikost signálu. Jinak řečeno, výkonová úroveň signálu je funkcí času, potřebného na prohledávání frekvenčně/kódového prostoru, takže čím kratší čas na hledání, tím musí být úroveň signálu vyšší, aby jej bylo možné detekovat. V normálních podmínkách je tento požadavek na velikost signálu splněn.
Systém A-GPS pracuje na principu poskytnutí nápovědy, ve kterých frekvenčních pásmech se signál má hledat. Frekvenční odstup signálu je znám díky známému Dopplerovu posuvu, který vzniká díky neustálému pohybu družic. Jelikož polohy družic jsou známy nejen v reálném čase, ale taky na několik dní dopředu, lze také s určitou přesností určit frekvenční pásmo, ve kterém se signál nachází (bude nacházet). V praxi se jako pomocné informace vysílají data o poloze družice, ze které se signál přijímá. Lze tedy výrazně redukovat prohledávaná frekvenční pásma a tím získat více času na prohledávání jednotlivých, nyní již pouze několika, frekvenčních pásem (obr. 2). Jinými slovy lze buď zrychlit hledání signálu (outdoor GPS) nebo zvýšit citlivost přístroje (indoor GPS). Tento způsob však je pouze částečným řešením problému indoor navigace, neboť zvyšuje citlivost přístroje zhruba jen o 10dB.
obr. 2 – výstup korelace – omezení prohledávacího prostoru – A-GPS
Další cesta ke zvýšení citlivosti GPS přijímače je pomocí rozsáhlé paralelní korelace. Signál např. uvnitř obchodních center, kde jsou železobetonové stěny, či uvnitř nízkých zděných budov, je oproti „normálnímu“ signálu z družice utlumen asi o 20-30dB. Zvýšit citlivost o 10dB tedy zjevně nestačí. Další zvýšení citlivosti (přesnosti) GPS přijímače lze učinit za předpokladu rychlejšího prohledávání jednotlivých kódových zpoždění. Nejlépe všechny prohledávat najednou – paralelně. Součástí přístroje je tedy vysoký počet korelátorů, které tuto funkci zajistí. A-GPS přijímač má oproti klasickému GPS přijímači zhruba 500x více korelátorů, které umožňují paralelně prohledávat jednotlivá kódová zpoždění. Tento princip tedy umožňuje dále zvýšit citlivost přístroje a určit polohu i v tak náročných podmínkách, jako jsou podzemní garáže, rozsáhlá nákupní centra uprostřed velkoměst či v kancelářích, a to z velmi slabého signálu z družic, který je utlumen až o 30dB oproti standardnímu signálu v běžných podmínkách.
Výše zmiňované pomocné informace o pozici družic jsou vysílány pomocí sítě referenčních stanic, které vlastní společnost Global Locate. Tyto referenční stanice sledují pohyb všech družic a vysílají informace o jejich pozicích, které vypočítávají na několik dní dopředu. Součástí vysílaných informací jsou také informace o času. Tento systém tedy může fungovat i v případě výpadku sítě družic, které může na několik dní nahradit právě ona síť referenčních stanic. Všechny požadované informace se nejčastěji vysílají do mobilních telefonů, ve kterých je implementace GPS přijímače v dnešní době nejčastější. Proto se také potřebná data vysílají formou SMS (Short Messaging Service) zpráv, které lze přijmout do každého mobilního telefonu. Ten zprávu přijme, dekóduje na formu, které „rozumí“ GPS přijímač a následně se určí poloha způsobem popsaným výše.
Systém využívající A-GPS byl již několikrát úspěšně testován. Společnost Global Locate [3] vyvinula přijímač, který testovala v rozsáhlém prostředí. [1] Testy probíhaly v běžných aplikacích přijímače GPS – navigace automobilu na cestě, určení polohy osob, či parkování automobilu v krytých patrových parkovištích. Ve všech případech byla naměřena výkonová úroveň signálu od -155dBm do -137dBm. V nejtěžších podmínkách, a to v nejnižším poschodí parkoviště, byla naměřena doba nalezení signálu (tzv. time-to-first-fix = TTFF), která je určující pro vyhodnocení měření, zhruba pět vteřin, kdy systém zpracovával signál o velikosti –155dBm. V ostatních měřeních, tedy např. i při jízdě automobilem, byla naměřena doba okolo 250ms a přesnost určení polohy byla dostačující i pro určení, na které straně vozovky se automobil nachází. Z provedených měření lze tedy s dostatečnou přesností a rychlostí určovat polohu.
Systém Assisted GPS byl vyvíjen jako potřeba umožnit určení polohy i v oblastech, kde standardní GPS přijímač nebyl schopen uspokojivě pracovat. Americká vláda dodala první podnět k řešení tohoto problému, a to hlavně kvůli systému první pomoci, kdy bylo potřeba přesně a rychle určit polohu volajícího o pomoc kdekoliv na světě (převážně tedy v obydlených oblastech), tzv. E911 (Enhanced 911), v Evropě E112 (Enhanced 112). Vzhledem k narůstajícímu počtu volajících z mobilních telefonů bylo nutné vyvinout systém, který by byl implementačně jednoduchý, kompatibilní se standardním GPS a dostatečně účinný. Společnost Global Locate, Inc. [3] v čele s Dr. Frankem van Diggelenem vyvinula systém A-GPS společně s podporou rozsáhlé paralelní korelace, zajištěné vysokým počtem korelátorů (až 500x více než běžný GPS přijímač). Tento systém byl úspěšně vyzkoušen i v těch nejtěžších podmínkách a výsledky měření byly velmi uspokojivé. Způsob řešení problému indoor navigace pomocí A-GPS je velmi výhodný nejen kvůli jeho praktickému použití a úspěšnosti experimentálního měření, ale také z důvodu jednoduchosti implementace do běžně používaných mobilních zařízení.
Vzhledem k tomu, že ovšem i v dnešní době nejsou zařízení A-GPS stále ještě běžným vybavením mobilních telefonů. Je třeba provádět lokalizaci i na zbylých GSM zařízeních. Tyto lokalizační metody se rozdělují do tří skupin: metody založené na lokalizaci pomocí sítě, pomocí mobilního zařízení a kombinované metody. Každá lokalizační metoda je charakterizována tím, jaké změny v síti resp. mobilním zařízení je nutné provést pro její realizaci a z toho plynoucí náklady pro provozovatele. Dalším parametrem je přesnost určení polohy.
U těchto lokalizačních metod dochází k přenosu žádosti o lokalizaci z mobilního zařízení do sítě, kde se s využitím dat zjištěných z tohoto zařízení a sítě stanoví jeho poloha. Mobilní zařízení pak zpětně přijme informaci o poloze.
Tyto metody umožňují lokalizaci přímo v uživatelském zařízení zpravidla bez komunikace s mobilní sítí (resp. bez asistence mobilní sítě). V tomto případě síť nemá informaci o pozici mobilního zařízení. To pouze z aktuálne dostupných informací (dostupné BTS, popř. síla a úhel signálu). Oproti předchozím metodám jsou tyto dostupné široké veřejnosti.
Cell ID je identifikační číslo přiřazené mobilním operátorem buňce v síti, které slouží pro určení přístupového bodu pro mobilní zařízení. Poloha všech základnových stanic vytvářející buňkovou strukturu je operátorovi známa s přesností kolem 30m. Poloha uživatele v síti může být stanoven s využitím metody Cell ID s přesností odpovídající velikosti buňky, která se pohybuje od 100m do 500m v městských oblastech a až desítkách kilometrů ve venkovských oblastech. Mobilní zařízení v praxi přijímá signál od více základnových stanic, což umožňuje výpočet průniku buněk, které tyto stanice vytvářejí. Dosáhne se tak zvýšení přesnosti určování polohy na hodnoty kolem 300m.
Přesnost lokalizace může být významně zvýšena při použití parametru Time of Arrival (TOA). Tento parametr představuje čas šíření signálu mezi mobilním zařízením a sítí. Při znalosti rychlosti šíření signálu může být určena jejich přibližná vzdálenost s přesností kolem 550m. Stejně jako u předchozí metody i zde mobilní zařízení v praxi přijímá signál od několika základnových stanic a výsledná poloha uživatele může být tedy stanovena na základě jednoduché triangulace. Určení polohy v tomto případě je možné i s přesností několika desítek metrů.
Metoda Enhanced Observed Time Difference (E-OTD) je založená na sledování časových rozdílů mezi příchody signálů od tří a více základnových stanic. To ovšem předpokládá zajištění synchronnosti základnových stanic v síti, což v praxi nebývá dodrženo. U metody E- OTD je tedy síť vybavena zařízením LMU (Location Measurement Unit), které provádí měření reálných časových rozdílů vysílání signálu základnových stanic (Real Time Difference - RTD). Pokud by základnové stanice vysílaly synchronně, hodnota RTD by byla nulová. Po stanovení časových rozdílů v příjmu signálu, je mezi dvojicemi základnových stanic provedeno určení oblasti, od které mají stejnou vzdálenost. V této oblasti jsou časové rozdíly příchodu signálu označované GTD (Geometric Time Difference), pro které platí vztah GTD12 = (d2 - d1)/c, kde c je rychlost světla a di je vzdálenost. Pro časové rozdíly zjištené v mobilním zarízení OTD (Observed Time Difference) a GTD platí převodní vztah GTD=OTD- RTD. Pozice mobilního zařízení je pak vypočtena jako průnik oblastí GTDi s přesností 30- 300m.
Metoda Angle of Arrival (AOA) vyžaduje použití směrových antén a znalosti vyzařovacích charakteristik.
Lokalizační metody Cell ID a Timing advance jsou v případě metody Enhanced Cell Global Identity (E-CGI) vylepšeny o měření úrovní signálů. E-CGI používá pro výpočet vzdálenosti mezi mobilním zařízením a základnovou stanicí model šíření signálů. Podle naměřených úrovní signálů v místě mobilního zařízení a znalosti vysílacích výkonů základnových stanic jsou tak predikovány oblasti s nejpravděpodobnějším výskytem uživatele. Jeho poloha je poté obvykle stanovena jako těžiště této oblasti. Přesnost metody E-CGI je kolem 50-550m pro městské oblasti a 250m-8km pro venkovské oblasti.