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TRANSCRIPT
GPS – Global Positioning System
Jorn [email protected]
Marty McFly: Then where the hell are they?
Dr. Emmett Brown: The appropriate question is ‘When the hell are they?’
Ubersicht
• Navigation System using Time and Ranging – NAVSTAR
• Entwicklung, Aufbau und Funktionsweise
• Positionsbestimmung
• Signalstruktur
• Fehlerquellen und Korrekturen
• Weiterentwicklungen und Alternativen
• Anwendungen
GPS – Global Positioning System 2/21
Entwicklung von GPS
• 1970er Jahre vom DoD in Auftrag gegeben
• verschiedene Vorlaufer-Systeme (Navy, Air Force)
• erste Satelliten 1978
• Initial Operational Capability (IOC): Dezember 1993
• Full Operational Capability (FOC): April 1995
• IGEB: Interagency GPS Executive Board (DoD und DoT)
• Navstar GPS Joint Program Office, Los Angeles
• U.S. Coast Guard Navigation Center, Alexandria, VA
GPS – Global Positioning System 3/21
Funktionsweise
• prinzipielle Idee: Trilateration
• Satelliten senden Signal mit
koordinierter Zeitinformation
• Empfanger ermittelt range
• benotige Information:
– genaue Position der Satelliten
– genaues Zeitmaß
– sonstige Umwelteinflusse
R1R2
R3
GPS – Global Positioning System 4/21
Aufbau von GPS
• Space Segment: Konstellation aus min. 24 Satelliten
• Control Segment: Uberwachung und Steuerung der Konstellation
• User Segment: militarische oder zivile Endgerate
• zwei Qualitaten:
– Standard Positioning Service (SPS): zivile Nutzung
– Precision Positioning Service (PPS): militarische Nutzung
GPS – Global Positioning System 5/21
Space Segment
• Block II/IIA, Block IIR
• a = 26600 km, e ≈ 0
• halb-synchrone Orbits
• i = 55◦, 6 Ebenen
• 4 Satelliten pro Ebene + Spares
• z.Z. 30 aktive Satelliten
• letzte Starts: 23.6.2004, 6.11.2004
• Casium- und Rubidium-Uhren
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Control Segment
Colorado Springs
Ascension Diego Garcia
KwajaleinHawaii Cape Canaveral
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User Segment
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Positionsbestimmung
• gesendetes Signal enthalt Zeitinformation
• Problem: (genaue) eigene Uhrzeit unbekannt
• Meßwert: pseudo range
Rp = Rt + c∆t + d
=√
(xs − xu)2 + (ys − yu)2 + (zs − zu)2 + c∆t + d
• vier Unbekannte: xu, yu, zu, ∆t
(Rp1 − c∆t − d1)2 = (xs1 − xu)2 + (ys1 − yu)2 + (zs1 − zu)2
......
(Rp4 − c∆t − d4)2 = (xs4 − xu)2 + (ys4 − yu)2 + (zs4 − zu)2
GPS – Global Positioning System 9/21
Signal
• mehrere Informationen in ein Signal kodiert
• zwei Frequenzen: L1 (1575,42 MHz) und L2 (1227,60 MHz)
• CDMA (Code Division Multiple Access)
• Satellit sendet chip sequence (PRN – Pseudo Random Noise)
• BPSK (Binary Phase Shift Keying)
• ranging codes:
– coarse/aquisition (C/A) auf L1
– precision (P) auf L1 und L2
– Anti-Spoofing: Y-Code verschlusselte Version des P-Code
• navigation message: mit 50 Hz auf C/A- und P-Code moduliert
GPS – Global Positioning System 10/21
Navigation Message
60
TW HOW
TW
TW
TW
TW
HOW
HOW
HOW
HOW
Clock Correction
Ephemeris
Ephemeris
Message
Almanach/Health
300 300
• 25 frames, 5 subframes
• subframes 1–3 in jedem frame identisch
• minimale Daten nach 30 Sekunden, alle Daten nach 12,5 Minuten
GPS – Global Positioning System 11/21
Selective Availability
• absichtliche Verschlechterung der Daten (Zeit, Ephemeriden)
• Meßgenauigkeit mit SA ca. 100 m, ohne ca. 15 m
• 4. Juli 1991 bis 1. Mai 2000
• Option auf Selective Deniability
GPS – Global Positioning System 12/21
Atmospharische Einflusse
• Ionosphare fur ca. 50% der Ungenauigkeit von GPS verantwortlich
• Ionospharendaten in Navigation Message
– grobes Modell, nicht sehr zeitnah (wochentliche updates)
• Laufzeitverzogerung abhangig von Signal-Frequenz
– Vergleich von L1 und L2
• Vergleich mit Referenzempfanger
– Differential GPS (DGPS)
• genaueres Ionospharen-Modell aus anderen Quellen
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Genauigkeit von GPS
GPS – Global Positioning System 14/21
Augmentation Systems
• Idee: besseres Modell fur Ionosphare
• Verteilung der Daten:
– Netz von terrestrischen Sendern
– geostationare Satelliten
• GPS-ahnliches Signal, eigene PRNs
• Satellite Based Augmenation System:
– WAAS (Nordamerika)
– EGNOS (Europa)
– MSAS (Japan)
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Neuerungen
• Forderung: Kompatibilitat mit bestehenden Verfahren
• mittelfristige Neuerungen:
– L2C-, M-, Interplex-Code: ab 2005 (Block IIR-M)
– L5 (1176,45 MHz): ab 2006 (Block IIF)
– insgesamt 7 Signale auf 3 Frequenzen
– IOC 2010, FOC 2013
• langfristige Planungen:
– L1C: Modernisierung von C/A
– Koordination mit anderen GPSSs
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Alternativen
• GLONASS (Sowjetunion bzw. Russland)
– Globalnaya Navigationnaya Sputnikovaya Sistema
– nominell 24 Satelliten, derzeit 8 funktionsfahig
– i = 65◦, 3 Ebenen
– 2 Frequenzen, FDMA statt CDMA
– kein Anti-Spoofing, keine Selective Availability
• Galileo (Europa)
– 27 Satelliten + 3 Spares, 3 Ebenen
– 11 Signale, offentliche und kommerzielle Nutzung, SAR
– Anti-Spoofing durch Signatur, Public-Key-Verfahren
– erste Satelliten 2005, FOC 2008
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Anwendungen
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Kurze Unterbrechung . . .
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comp.risks
• erhohte Gefahr von Kollisionen
• friendly fire
• Toll Collect
• GPS/Glonass Jammer fur $ 4000 (Januar 1998)
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Stu
pid
GPS
Tricks
281
14152048
1024
8192
4096
512
256
128
64 32 168421
MC
145151
Vcc
Vt
RF
RF
Ou
t1
23
1.5 pF
1.5 nH
Prescaler Input
P1dB
= +
27 dBm
(500 mW
)
No
tes:
+12 VD
C
Micro
netics
100 pF
VC
O
12
3
100 pF
+9 VD
C
100 pF
1000 pF
100 pF100 pF
33 k
2N3906
PL
L
Un
lock
+9 VD
C
6.8 V
22 k
Set to +
/- 1.023 MH
zN
oise D
eviation
NO
ISE
Siren
zaS
GA
-6289
68
Tw
eak to get1575.42 M
Hz C
W
Noise G
enerator
+
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
100
RA
0
RA
1
RA
2
PD
out
Fin
LD OS
Cin
OS
Cout
Vdd
Vss
PLL Loop F
ilter
+L
M386
Ph
rack Mag
azine, Issu
e #60w
ww
.ph
rack.org
1 k
1000 pF
5-18 pF
+
100 pF
No
ise Jamm
er for th
e L1 G
PS
Freq
uen
cy (1575.42 MH
z)
(T) =
Tantalum
M3500-1324S
180
++
12 Vo
lt Po
wer
SP
ST
1N5401
35 V
Ou
tpu
t
78M09
LM2940
-12+ Ou
tpu
t
1 Am
pF
use
Voltage R
egulation
PLL
Crystal
Prescaler O
utput
Jam M
od
e Select
10 µH
0.1 µF
0.01 µF
0.1 µF
0.1 µF
1.0 µF (T)
10 µH
0.01 µF
0.1 µF
5-18 pF
10
1N4148
+
NC
= N
ot connected
Ferrite B
ead
Fijitsu
MB
506or
0.1 µF
To A
ntenna orH
igher Pow
erA
mplifier
TP
2
1N5235
+12 VD
C
2 k
22 nH22 nH
0.1 µF
+9 VD
C78L05
Natio
nal
Mo
toro
la
NE
C U
PB
1507GV
To
ko 4D
FA
-1575B-12
NC
2N3904
0.1 µF
0.1 µF
Lead
-Acid
Battery
TP
2 = 3.77 V
(PLL Locked)
Test P
oin
t Vo
ltages:
Everything should be S
MT
unless noted100 pF
1000 pF
Panel M
ount SP
DT
Panel M
ount LED
+
22 µF (T
)
N =
315
NC
NC
NC
220 24
220
100 pFA
ttenuation Pad
47 µF (E
)
100 µF (E
)
Capacitors are 16 V
(min.)
0.1 µF
TP
1
+12 VD
C+9 V
DC
10 MH
z
R =
512
100 k
Freq =
1575 MH
zR
ef = 19531.25 H
z
1/2 W
+
1 µF (T)
RF
Am
plifierR
F A
mplifier
+
10 µF (T
) 1 458
18
45
INO
UT
OU
TIN
OU
TIN
101/4 W
8.2 k
1.8 k
0.022 µF
1 k
10 µF (T)
0.1 µF
TP
1 = 13 m
Vpeak-to-peak
1.5 µF (T
)1.0 µF
(T)
+
1 k
Resistors in ohm
s, 5%unless noted (k =
1000)
10
NC
NC
22 µF (T
)
2 k
390
(E) =
Al E
lectrolytic
2 k
GP
S Jam
mer
50 Ohm
micro stripline
WJ A
H102
Divde-by-256
Band P
ass Filter
EX
TE
RN
AL
CW
/
GP
S–
Glo
balP
ositio
nin
gSystem
21
/21
Anhange
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Stecknadelhaufen
• CDMA (Code Division Multiple Access)
• jeder Sender hat charakteristisches Bitmuster (chip sequence)
C1 = (−1,−1,−1,−1) C2 = (+1,−1, +1,−1)
• Eigenschaften:
Ci · Ci = 1 Ci · (−Ci) = −1 Ci · Cj = 0, fur i 6= j
• sende C fur 1, −C fur 0
• Signal S ist Summe aller Bitmuster
• Bit von Sender i herausfiltern:
S · Ci = (b1C1 + . . . + biCi + . . . + bnCn) · Ci = bi
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Random Noise
• C/A-Code: 1023 chips, 1,023 MHz, 1 ms Dauer
• 2 Gold-Codes durch linear feedback shift registers
⊕
2 3 4 5 6 7 8 9 101
• 36 verschiedene PRNs (Pseudo Random Noise)
• PRNs 1–32 fur GPS-Satelliten, 33–36 fur andere Sender
• P-Code: 15345000 chips, 10,23 MHz, 7 Tage Dauer
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Signal-Erzeugung
• Datenstrom: Modulo-2-Summe aus Code und navigation message
• Kodierung per BPSK im L1- bzw. L2-Signal
• Binary Phase Shift Keying
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Differential GPS
• Idee: viele Fehler identisch fur benachbarte Empfanger
• Referenzempfanger an bekannter Position
• zwei Moglichkeiten:
– nachtragliche Korrektur durch Verknupfung der Messungen
– online-Korrektur
• Ranging-Code Differential:
– Messung der Differenz Rp − Rt fur jeden Satelliten
– atmospharische Fehler und Uhr-/Ephemeriden-Fehler
– Empfanger muß Position der Referenzstation nicht kennen
• DGPS in Deutschland: Sender in Mainflingen, Telekom und BfK
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Quellen
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