Global Positioning System (GPS)

Transkript

1 Global Positioning System (GPS) - Beispiel für Anwendungen präziser Zeitmessung Genaue Orts- Geschwindigkeits- und Zeitinformation Unbegrenzte Zahl von Nutzern Weltweite Verfügbarkeit

2 GPS - Segmente

3 GPS - Prinzip Jeder Satellit sendet Informationen zu Zeit und zu seiner Position, die es dem Empfänger ermöglichen die Transitzeit des Signals vom Satelliten bis zum Empfänger zu ermitteln, d.h. seinen Abstand zum Satelliten. Beim Empfang von vier Satelliten ist somit 3D-Navigation inklusive Zeitübermittelung möglich. 2 τ 2 r = c 1 τ 1 r = c 3 τ 3 r = c Ein Zeitfehler von 3 ns entspricht einer Ortsabweichung von ca. 1 m!

4 GPS - Weltraumsegment Allgemeine Daten: 24 Satelliten in ~20200 km Höhe 2 Erdumläufe am Tag 50 W Sendeleistung 10 Jahre Lebensdauer 1t Gewicht Erster Satellit gestartet: Satelliten-Konfiguration erreicht: 1994 Quelle: Garmin-Webseite (

5 "Sichtbarkeit" der Satelliten

6 GPS - Kontrollsegment Master Control Station: Überwachung und Management der Stallitenkonstellation (Satellitenmanöver, Rekonfiguration der Satellitenausrüstung, Berechnung und Auffrischung der Navigationsnachrichten,...) Monitor Stations: passive Verfolgung der Satelliten und Sammlung der Navigationssignale, die dann an die Master Control Station weitervermittelt werden.

7 GPS - Kontrollsegment

8 GPS - Services PPS: Precise Positioning Service Beschränkt auf authorisierte Nutzer (im wesentlichen Militär) 16 m 3D Positionsgenauigkeit 100 ns Zeittransfergenauigkeit (UTC, Universal Coordinated Time) Selective Availability - künstliche Fehler für unauthorisierte Nutzer Anti-Spoofing SPS: Standard Positioning Service ~160 m 3D Positionsgenauigkeit 337 ns Zeittransfergenauigkeit Genaugkeit kann in Krisenzeiten eingeschränkt werden

9 GPS - Satellitensignale Jeder Satellit sendet Navigationscodes auf zwei Frequenzen L1 = MHz und L2 = MHz. Die Signale werden mit "spread spectrum" Techniken gesendet, wobei die Information mit 50 Hz in zwei verschiedene spread spectrum Codes eingebunden wird. Ein MHz Code zur Signalfindung und "groben" Navigation (C/A Code) und ein MHz Code zur präzisen Navigation (P Code). Der P-Code wird normalerweise verschlüsselt und ist dann nur authorisierten Nutzern zugänglich (Y-Code). Die Navigationsnachricht enthält Informationen zur Zeitabweichung der Satellitenzeit, präzise Daten zum Satellitenorbit, Korrekturdaten für Ionoshpärenfehler und grobe Daten zur gesamten Satellitenkonfiguration.

10 GPS - Satellitensignale Der C/A Code ist ein 1023 bit pseudo-random-noise Code, der mit MHz gesendet und jede ms wiederholt wird. Jedem Satellit ist ein eigener Code zugewiesen aus dem sogenannten Satz der Gold Codes (für minimale Kreuz-Korrelation designed). Der C/A Code wird nur auf der L1-Frequenz gesendet. Der P Code ist ein mit MHz gesendeter pseudo-random-noise Code von 267 Tagen Länge, von dem den Satelliten jeweils unterschiedliche 7-Tage Segmente zugeordnet sind, die jeweils in der Nacht von Samstag auf Sonntag um Mitternacht (GPS-Zeit) wieder neu gestartet werden. Normalerweise wird der P Code zusätzlich verschlüsselt und damit zum Y Code. Der P (Y) Code wird sowohl auf L1 (90 phasenverschoben zum C/A Code), als auch auf L2 gesendet. Die Navigationsnachricht ist mit 50 Hz auf die Codes aufmoduliert und besteht aus 25 Frames zu je 1500 Bit. Jedes Frame ist wiederum in 5 Subframes unterteilt. Das Auslesen der gesamten Navigationsnachricht dauert also 12.5 Minuten. Die Subframes 1,2 und 3 jedes Frames enthalten dieselben wichtigen Informationen und erlauben so eine schnelle Datenacquisition in 30 s.

11 GPS - Navigationsnachricht Sendezeit Übergabeparameter von C/A zu P (Y) Code

12 GPS - Navigationsnachricht Die Codes sind auf die Trägerfrequenz mit BPSK (Bit Phase Shift Keying) aufmoduliert, d.h. die Trägerphase wird für jeden logischen 0-1 und 1-0 Übergang umgekehrt.

13 GPS - Frequenzspektrum

14 GPS - Empfänger Arbeitsweise: 1. Suche nach C/A Code lock 2. Verfolgung Code und Carrier 3. Bit-Synchronisation mit der Navigationsnachricht 4. Frame-Synchronisation 5. Decodierung der Nachricht 6. evtl. Transfer zu P (Y) Code 7. Suche und Verfolgung weiterer Satelliten 8. Entfernungsmessungen 9. Lösung der Entfernungsgleichungen 10. Bei P (Y) Code Messungen: L2 Messungen zur Entfernung von Ionosphäreneinflüssen

15 Gewinnung der Satellitensignale Die Leistung der verbreiterten Satellitensignale ist geringer als die thermische Rauschleistung des Empfängers! Eine Gewinnung des Signals ist nur durch Kreuzkorrelation mit dem Mustercode möglich!

16 Empfänger: Verfolgung des Codes Wichtig: relative Phaseninformation von Satellitensignal zu lokalem Referenzoszillator muss erhalten bleiben!

17 Empfangsschritte - I

18 Empfangsschritte - II

19 Empfangsschritte - III

20 GPS - Fehlerbudget

21 Quelle: GPS - Mehrwegfehler

22 Geometrieüberlegungen Man erhält die genaueste Navigation mit möglichst senkrecht stehenden Verbindungslinien zu dne Satelliten

23 Zeit - Fehlerbudget

24 Genauigkeitserhöhung mit Differential GPS

25 Genauigkeitserhöhung mit Differential GPS

26 Fehlerbudget: Differential GPS

27 Zeit- und Frequenztransfer "Common view" Messung