Galileo. Galileo Service Offerings. Johann Sandholzer ETH Galileo Introduction. Justification of Galileo.

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1 Galileo Galileo Introduction GALILEO ist das europäische Programm für weltweite Navigationsdienste. Die Europäische Union (EU) entwickelt in enger Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) ein Satellitennavigationssystem. Die EU und die ESA haben gemeinsam eine Dachorganisation gegründet: GALILEO Joint Undertaking (GJU, mit Sitz in Brüssel). GJU überwacht und koordiniert die Phasen der Entwicklung, der Validierung und der Errichtung. Mit GJU soll gewährleistet sein, dass eine einzige Stelle für die Verwaltung des Programms zuständig ist. Das Budget wurde folgendermassen aufgeteilt: Deutschland 21% Italien 15% Frankreich 17% Grossbritannien 16% Spanien 10% Belgien 6% restliche Länder 15% 1 2 Justification of Galileo Galileo Service Offerings Wesentliche Argumente für die Einführung von GALILEO waren: - Die Unabhängigkeit von der USA zu erlangen. Es gibt weltweit zwei. Beide wurden nach militärischen Gesichtspunkten konzipiert. Das russische System hat bisher keine nutzbaren zivilen Anwendungen hervorgebracht, sodass GALILEO die einzige Alternative zum faktischen Monopol des GPS und der amerikanischen Industrie darstellt. - Die Ortungsgenauigkeit zu erhöhen. GALILEO soll genauer sein als GPS. Mit dem Offenen Dienst wird eine Positionierungsgenauigkeit bis auf ca. 4 bis 15m erwartet. Sicherheitskritische Dienste sollen eine Präzision von 4bis 6m aufweisen. Die Empfindlichkeit auf Mehrwegempfang wird vermindert. Diese Optimierung soll durch die Verwendung der BOC-Modulation zustande kommen. Auch GPS wird bei seiner Modernisierung BOC einführen. - Ein rein ziviles Navigationssystem zu haben. GALILEO ist unter zivilen Aspekten konzipiert und erstellt worden, weist aber auch den aus Sicherheitsgründen nötigen Schutz auf. Anders als das militärisch ausgerichtete GPS, bietet GALILEO für einzelne Dienste eine Funktionsgarantie an. - Die Sicherheit durch Integritätsmeldungen zu erhöhen. GALILEO wird zuverlässiger sein, da es eine Integritätsmeldung" umfasst, die den Nutzer unmittelbar über auftretende Fehler informiert. (EGNOS) 3 4 Offener Dienst (Open Service, OS) : ist für Anwendungen auf Massenmärkten vorgesehen. Er wird kostenlos Signale zur Positions- und Zeitbestimmung übermitteln. Für Anwendungen mit geringeren Genauigkeitsanforderungen werden günstige Einfrequenz-Empfänger eingesetzt werden. Da die Sendefrequenz von GALILEO und GPS (L1) für diese Anwendung gleich ist, werden wahrscheinlich Navigations- Empfänger die Signale von GALILEO und GPS kombinieren. Durch die Erhöhung der Anzahl der empfangenen Satellitensignale, werden sich die Empfangseigenschaften selbst unter ungünstigeren Betriebsbedingungen, wie z. B. in Stadtgebieten, verbessern. Für den offenen Dienst wird die GALILEO-Betreibergesellschaft keine Verfügbarkeitsgarantie und keine Haftung übernehmen. Sicherheitskritische Dienst (Safety-of- Life Service, SoL) ist für verkehrsbezogene Anwendungen vorgesehen, bei denen infolge einer Beeinträchtigung des Navigationssystems, ohne entsprechende Warnung in Echtzeit, lebensbedrohliche Situationen auftreten könnten. Der wesentliche Unterschied zum offenen Dienst besteht in der weltweit hohen Integrität bei sicherheitskritischen Anwendungen wie z. B. in den Bereichen Seeverkehr, Luftverkehr und Schienenverkehr. Der Dienst kann nur durch die Verwendung zertifizierter Empfänger, jeweils mit zwei Signalfrequenzen, genutzt werden. Unter diesen Bedingungen wird die GALILEO-Betreibergesellschaft den SoL- Dienst garantieren. Damit der erforderliche Signalschutz gegeben ist, wird der SoL-Dienst auf den Frequenzbändern für Flugnavigationsfunkdienste (L1 und E5) eingerichtet. 5 6 ETH

2 Der kommerzielle Dienst (Commercial Service, CS) ist für Marktanwendungen gedacht, die höhere Leistungen erfordern als der offene Dienst. Über diesen Dienst werden kostenpflichtige Mehrwertdienste angeboten. Die zwei Funk-Signale des Dienstes sind verschlüsselt. Typische Mehrwertdienste sind z. B. Dienste zur Übertragung von Daten mit hohen Transferraten, Garantien für die Bereitstellung der Dienste, exakte zeitbezogene Dienste und die Bereitstellung von Modellen zur ionosphärischen Verzögerung sowie von lokalen differenziellen Korrektursignalen für äusserst exakte Positionsbestimmungen. Die Zugriffskontrolle zu den Signalen wird auf Empfängerebene über Zugriffsschutzcodes erfolgen. Der öffentliche regulierte Dienst (Public Regulated Service, PRS) wird von Benutzergruppen wie z.b. Polizei, Feuerwehr und Grenzschutz genutzt werden. Der Zugang zum verschlüsselten PRS- Dienst wird von zivilen Stellen kontrolliert. Der PRS-Dienst muss ständig und unter allen Umständen in Betrieb sein, insbesondere in Krisensituationen, da andere Dienste gestört sein könnten. Der PRS- Dienst wird unabhängig von den übrigen Diensten gestaltet und eine hohe Signalstabilität aufweisen. Gegen Störsender und elektronische Täuschung soll er geschützt sein. 7 Galileo Constellation & Satellites GALILEO wird aus einer Konstellation von 30 Satelliten, auf drei kreisförmigen Umlaufbahnen, in einer Höhe von km über der Erdoberfläche, bestehen. Die Satelliten wiegen 680 kg und sind 2,7 m x 1,2 m x 1,1 m gross. Die Satelliten werden für eine Lebensdauer von über 15 Jahre ausgelegt. Die benötigte Satelliten-Leistung von 1500 W wird durch grossflächigen Solar-Panel gewonnen. In regelmässigen Zeitintervallen von 100 Minuten erfolgt ein Funkkontakt zum Bodensegment, um dienavigationsdaten zu aktualisieren. 8 Satellite Signal Generation RF Technology 9 10 Space Clocks GPS Signal Properties and Limitations C/A-code on L1 only reduced possibility of ionospheric corrections low chip rate susceptible to interference and multipath high cross-correlation (< - 21dB) decreased S/N because of signals from other GPS satellites navigation message with no error correction high bit error rate navigation message on all carriers acquisition problems only two carriers RTK limitations Maser: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation ETH

3 Signal Requirements for Galileo Large Bandwidths Good and robust tracking performance : Low thermal noise Low Multipath : Mitigation implemented easily Performance fully compatible with GPS, but independent from it Ionospheric compensation Receiver realization with low-cost semi-conductor technology (SiGe, CMOS, Bipolar Si) Security Aspects Large Bandwidths Pseudo-Range Performance σ R...r.m.s variance of pseudo-range C/N 0...Carrier-to-noise ratio B L...Single-sided code loop noise bandwidth - ϖ²... Gabor Bandwidth (sqrt of 2nd momentum of codes normalized power spectral density) Multipath Mitigation Large bandwidth; Small amplitude (sharp ACF peak) High chipping rate; Limits effective range Frecquency Allocation Galileo Signal Frequencies Je nach verwendetem Dienst, werden unterschiedliche Frequenzen, Modulationsarten und Datenraten genutzt. Grundsätzlich werden die Modulationsarten BPSK und BOC verwendet. Einzig bei E5a und E5b wird eine leicht modifizierte BOC-Modulation (genannt altboc) eingesetzt ARNS...Aeronatical Radio Navigation Service RNSS...Radio Navigation Satellite Service Galileo frequencies cont. Noise& Multipath Performance Zusätzlich wird bei E5a, E5b, E6 und L1 ein Pilotkanal mitgesendet. Der Pilotkanal ist frei von Navigationsdaten und um 90 zu den anderen Signalen phasenverschoben. Dank dem Pilotsignal wird die Einrastzeit (Akquisitionszeit) eines Empfängers erhöht. Vor allem im L1-Band werden GALILEO und GPS sich die Frequenzen teilen müssen. GPS hat in diesem Band 3 Signale: C/A-Signal, P(Y)-Signal und das neue M-Signal. GALILEO wird nur zwei Signale nutzen: das L1B-Signal und das Paar E2/E1. Im folgenden Bild wird die Leistungsdichte der Signale aufgezeichnet, unter der Annahme, dass die Signalleistung bei allen Signalen gleich ist (Normiert auf 1W) ETH

4 Binary Offset Carrier (BOC) Modulation New Signal Structur of GALILEO Signal structur developed especially for Navigation Compatibility with current GPS Signal structur Efficient use of free frequency in L band with little possible interfence of adjacent services At the same time improved performance and robustness of System BOC modulation Bei BOC wird das BPSK-Signal in einer weiteren Stufe moduliert. Die Modulations-Frequenz ist immer ein Vielfaches von der Grundfrequenz 1,023MHz. Die Modulationseigenschaften werden in einer Kurzform angegeben. Z. B. bedeutet BOC(10,5), dass die Modulationsfrequenz 10 1,023MHz und die Taktrate des Codes 5 1,023Mbit/s betragen BOC cont. Power Spectra and Autocorrelation of BOC Bei der BOC Modulation wird das Signal besser über die zur Verfügung stehende Bandbreite verteilt und der Einfluss gegenüber Signalreflexionen (Multipath) beim Empfang des Navigationssignals wird im Vergleich zu BPSK verringert. Werden BPSK(1) und BOC(1,1) gleichzeitig eingesetzt, ist die gegenseitige Beeinflussung gering, da die Frequenz-Maxima der Leistungsdichte auseinander liegen The number of mainlobes + sidelobes between mainlobes is equal to 2m/n Examples of BOC(m,n) Autocorrelation Functions (infinite bandwidth) BOC(10,5)* Power Spectrum and Autokorrelation Function in 24MHz bandwidth *BOC(10,5) is the GPS M-code The number of positive and negative peaks is 4(m/n) 1; difference in delay between two neighbouring peaks is half the period of the square wave ETH

5 GPS Modernization DoD plant schrittweise Verbesserungen der Signalstruktur (Bild unten). Für zivile Anwender: Einführung einer zweiten und dritten Frequenz - werden mehrere Frequenzen zur Positionsbestimmung verwendet, kann der Einfluss der Ionosphäre auf die Laufzeit kompensiert bzw. eliminiert werden. Die GPS Modernisierung wird neben den zwei neuen Signalen, eine Steigerung der Signalleistung für zivile Nutzer, sowie erweiterte Leistungsmerkmale und neue Signale für die militärische Nutzung mit sich bringen. neue Satelliten des Typs IIR-M (Block 2, Replenishment and Military) senden zusätzliche Signale aus: - ziviles Signal auf L2 Frequenz - das sogenannte L2C-Signal. - militärische Signale auf L1 und L2: die M-Signale. Für diese M- Signale wird die Modulation BOC(10,5)-Modulation verwendet. GPS Modernization cont. Gegen Ende der Dekade ist eine neue Satellitengeneration IIF (Block 2, Follow-ON) und III (Block 3) geplant. Die wichtigsten Merkmale dieser Satelliten werden sein: - Neues ziviles Signal auf der Frequenz von 1176,45MHz (L5-Frequenz). Dieses Signal soll robuster sein, als die vorgängigen zivilen Signale und kann für kritische Anflüge in der Luftfahrt verwendet werden. - Erhöhung der Signalstärke der M-Signale (= M+) durch den Einsatz von konzentrierende Beam-Antennen. - Verbesserung der C/A-Signalstruktur der zivilen L1- Frequenz - L1C Current & future GPS Signal Spectrum Comparison of all 3 Satellite Navigationsystems Addendum 1: Gabor Bandwidth Gabor bandwidth of the signal or Meansquare bandwidth or effective signal bandwidth E...Energy of the received signal The range error of an optimal receiver is determined by: the energy received the noise floor the effective bandwidth 29 ETH