Global Positioning System (GPS)

Transkript

1 Global Positioning System (GPS)

2 Begriff GPS = Global Positioning System Ist prinzipiell jedes weltweite Positionierungssystem (auch Galileo, GLONASS,..) GPS ist synonym für NAVSTAR-GPS NAVSTAR-GPS = Navigational Satellite Timing and Ranging Global Positioning System

3 Geschichte 1973: US-Militär beschließt Entwicklung GPS-Programm 1978: Erste GPS-Satelit in der Umlaufbahn 1993: Feststellung der anfänglichen Funktionsbereitschaft (Initial Operational Capability), 24 Satelliten im Einsatz 1995: Volle Funktionsbereitschaft (Full Operational Capability) 2000: Abstellung der künstlichen Ungenauigkeit (Selective Availablity) 2005: Zweite Baureihe (GPS II) von Sateliten wird eingesetzt 2008: 32 Satelliten aktiv 2014: Geplanter Einsatz der Satelliten dritter Baureihe (GPS III)

4 Wozu GPS? Bestimmung von Position und Koordinaten Aber auch: Erkennung von Atombombenexplosionen und Starts Interkontinentalrakten (Sensoren für Infrarotund Gammastrahlung, EMP) Bereitstellung eines einheitlichen Zeitsystems (GPS-Time)

5 GPS-Time GPS nutzt eine kontinuierliche Atomzeitskala GPS-Satelliten synchrnoisieren ihre Uhren mehrmals täglich Keine Schaltsekunden (da nicht Erdgebunden) GPS-Signal an Empfänger enthält Abweichung der GPS-Time zur UTC (Weltzeit)

6 GPS-Segmente

7 GPS Allgemeines 24 Satelliten, min. 4 pro Bahnebene 12-Stunden Orbit ( in View 4-5 Stunden) Lebensdauer min. 7.5 Jahre 20,200 km über der Erde 6 Bahnebenen (55 Inklination zur Äquatorebene, 60 zueinander) Min. 4 Satelliten decken immer einen Ort ab

8 Inklination

9 Satelliten Fünf verschiedene Typen (Block I, Block II, Block IIA, Block IIR und Block IIF Block I Block II Block IIA Block IIR Block IIF

10 Frühphase: Block I Satelliten Zwischen 1978 und 1985 gestartet 845 kg Konzipierte Lebensdauer von 4.5 Jahren, aber bis zu 13 Jahre in betrieb Dienten der Erprobung des Systems Seti 1996 nicht mehr aktiv

11 Aktuell: Block II Satelliten GPS IIR 2000 kg, 40 Mio. Dollar Kosten Je zwei Rubidium und zwei Cäsium Atomuhren mit einer Uhrenstabilität von s GPS IIR-M 2000 kg, 75 Mio. Dollar Kosten 3 Rubiudium Atomuhren, Zusätzliche Frequenz GPSII-F Mehr Frequenzen, bessere Uhren (Wasserstoffmaser) In Planung für 2009

12 Control-Segment Bodengebundene Kontroll-Stationen verfolgen die GPS-Satelliten und versorgen sie mit korrigierten Bahn- und Zeitinformationen NGA = National Geospatial-Inteligence Agancy

13 Control-Segment Liegt vollständig in der Hand des US-Militärs Jeder Satellit wird stehts von min. 2 Stationen überwacht Passive Monitorstationen sammeln GPS- Signale und senden Rohadaten an die Master Control Station zur Weiterverarbeitung Master Control Station: Echtzeitauswertunge der Daten, Rücksendung der daraus berechneten Ephemeridendaten (Vorraussage der Umlaufbahnen) zur Korrektur

14 Master Control Station Früher nur Die Master Control Station liegt in einer Militär- Basis in Colorado Springs, Colorado Block IIR-Satelliten können Bahninformationen mit anderen Satelliten kommuniuzieren, bräuchten theoretishc keinen Kontakt zur MCS (Single Point of Failure)

15 User Segment Ursprünglich nur mililtärische Anwendung Aktuelle GPS-Empfänger besitzen üblicherweise min. 12 Kanäle, können also das Signal von 12 Satelliten gleichzeitig empfangen Ältere Geräte mußten von Kanal zu Kanal springen, um die Daten der verschiedenen Satelliten zu empfangen -> Langsam, Ungenau

16 Positionsbestimmung Satelliten senden Permanent ihre Position, ihre Uhrzeit (GPS-Time) und Bahndaten Empfänger nutzen die empfangenen Informationen mehrer Sender zur Berechnung der eigenen Position Durch ständige Neuberechnung der Position kann auch die Gschwindigkeit berechnet werden.

17 Beispiel: Gewitter Analogie zur Messung der Entfernung von Gewitter: Messung des Intervalls von Ereigniss und Beobachtung Ein Blitz ist zusehen, der Donner jedoch erst 5s später zu höhren, d.h. das Gewitter ist 5s*343m/s = 1.7km entfernt. Kennt man die Entfernung zu mehreren Ereignissen (Blitzeinschlägen) und deren Position, kann man die eigene Position errechnen.

18 Beispiel: GPS 2D Satelliten senden Uhrzeit, Empfänger berechnet mittels lokaler Uhrzeit Entfernung 2 Satelliten reichen für die Positionsbestimmung in 2D aus Da unsere Position ungefähr bekannt ist, reichen 2 Satelliten für 2D

19 Beispiel: GPS 2D Positionsbestimmung in 2D mit 2 Satelliten

20 Beispiel: GPS 3D Für Positionsbestimmung in 3D reichen 3 Satelliten.

21 Beispiel: Uhrzeit-Problem GPS-Empfänger kennen die Uhrzeit nicht genau genug, da nur Quarzuhr Abweichung von 1/100s führ zu einer Fehlallokation von 3000km!

22 Beispiel: Uhrzeit-Lösung Lösung: Zusätzlicher Satellit Anpassung der Uhrzeit des Empfängers, bis aus den 3 Schnittpunkten B ein einziger Schnittpunkt A wird GPS-Empfänger wird synchronisiert

23 GPS-Signal Die GPS-Satelliten senden kontinuierlich 1500bit große Datenframes mit einer Rate von 50bit/s Das GPS-Signal auf 2 Frequenzen ausgesendet: L1( GHz): mit C/A-Code und P/Y-Codes moduliert, zivilie und militärische Nutzung L2( GHz): Ausschließlich moduliert mit P/Y- Code, nur militärische Nutzung Beiden Signale besteht aus je drei Anteilen: Trägerwelle, Code und Navigationsdaten.

24 C/A-Code Coarse/Aquisition (Grobe Bestimmung) 1023 bit langer Code, ohne Information Jeder Satellit nutzt einen einzigartigen Code Beispiel 4bit C/A-Code: 0=0110, 1=1001 Wird mit Mhz übertragen, d.h. Jede millisekunde wiederholt sich der Code Für die zivile Nutzung bestimmt

25 P/Y-Code Unterteilt in öffentlich dokumentierten P-Code und geheimen Verschlüsselungscode Y Wesentlich genauer als der C/A-Code ca bit langer Code Wird mit 10.23Mhz übertragen Die Codes wiederholen sich alle 267 Tage Genauigkeit: Vermutlich unter 2m Ausschließlich militärische Nutzung

26 Wozu die Codes? Höhere Fehlertoleranz, durch Codierung Einfache Manipulation der Genauigkeit (SA (Selective Avaiability) Unabhängiger Empfang der einzelnen Satellitensignale möglich, obwohl alle Satelliten auf den gleichen Frequenzen L1 und L2 senden (CDMA-Verfahren) Empfänger kann Satelliten anhand ihrer pseudo-zufälligen Codes differnezieren

27 Selective Availability Reduzierung der Genauigkeit im zivilen Bereich (C/A-Code) Soll mißbrauch durch Terroristen vermeiden Bahndaten und Uhrzeit werden nur mit willkürlichen Schwankungen versendet Unregelmäßig, dadurch nicht korrigierbar Seit 2000 nicht mehr verwendet Zukunft?

28 Verschiedene Modulationen Amplitudenmodulation Frequenzmodulation

29 Phasenmodulation GPS-Signale werden durch Phasenverschiebung moduliert. Beispiel:

30 GPS Signal Modulation durch Phasenverschiebung führt zur Verbreiterung der Freqeunzbereichs

31 Signalverschiebung Bis der Empfänger sämtliche Daten der Satelliten ( u.a. auch Uhrzeit ) empfangen hat, kann 12.5 min vergehen Entfernungsmessung über Uhrzeit schnell ungenau In der Praxis wird die Entfernung deswegen meist über Code-Verschiebung bestimmt.

32 Signalverschiebung Die Satelliten senden pseudo-zufällige Zahlenfolgen (die Codes) Der Empfänger generiert ebenfalls die selbe Zahlenfolge. Durch Verschiebung der Zahlenfolgen läßt sich die Distanz berechnen.

33 Entfernungsmessung: Problem Lichtgeschwindigkeit (c) = 2.9 * 10 8 m/s C/A-Code-Frequenz = 1023 bit * 1.023Mhz = 10-3 s => Code-Länge = 2.9 * 10 8 m/s * 10-3 s = 290km Deswegen: Approximation (man kennt Entfernung ungefähr) Uhrzeit wenn möglich mit einbeziehen Heuristik (Mitte ist immer gut)

34 Datensignal Zusätzlich zu den Codes wird eine Navigationsnachricht mit 50bit/s in das Signal moduliert Inhalt: Satellitenbahnen, Uhrenkorrekturen, Status,... Der GPS-Empfänger errechent daraus die Uhrzeit und Positionen der Satelliten Die vollständige Signal ist bit groß und würde 12.5 min zur Übertragung benötigen Empfänger speichern Informationen, um Zeit für Positionsbestimmung zu verkürzen

35 Aufteilung des Datensignals Das bit große Datensignal wird in 25 Frames der größe 1500 bit unterteilt, welche wiederum in Teilblöcke mit 300 bit aufgeteilt sind. Mittels der Almanachdaten (Bahnparameter, techn. Zustand, etc.) kann der Empfänger seine Suche auf bestimmte Satelliten einschränken

36 Fehlerquellen Entfernung = Laufzeit (t) x Lichtgeschwindigkeit (c) Beispiel: t = 0.07s, c = 2.9 * 10 8 ms Entfernung = km Problem: Die Laufzeit und Geschwindigkeit werden durch Effekte beeinflußt

37 1. Atmospährische Interfernzen Längere Laufzeit durch brechung an den Übergangsschichten der Atmosphäre Modell zur Korrektur notwendig

38 2. Mehrweg-Fehler Reflektierte Signale brauchen länger zum Empfänger Kann durch Polarisierung der Antenne Minimiert werden

39 3. Zeitfehler Satelliten und Empfänger-Uhr haben limitierte Genauigkeit nicht exakt synchron Geringe Zeitschwankungen können signifikante Fehler verursachen.

40 3a. Relativistische Effekte Die Uhren der Satelliten gehen (aufgrund der Bewegung der Satelliten) langsamer: Zeitfehler von 7.2 Mikrosekunden pro Tag Aufgrund des starken Gravitationsfeldes: Uhr des Satelliten scheint für den Beobachter auf der Erde zu schnell zu laufen Gesamtfehler von ca. 38 Mikrosekunden Lösung: Uhren sind auf statt auf Mhz Eingestellt

41 4. Bahnfehler Obwohl die GPS Satelliten sich in sehr präzisen Umlaufbahnen befinden kommt es zu leichten Schwankungen durch Gravitationskräfte (Sonne, Mond)

42 5. Satelliten-Geometrie Stellung der Satelliten zueinander vom Empfänger aus Je besser die Satelliten verteilt sind, desto genauer die Messung a) b)

43 Fehlerbilanz Störungen durch die Ionosphäre: ± 5 Meter Schwankungen der Umlaufbahnen: ± 2.5 Meter Uhrenfehler der Satelliten: ± 2 Meter Mehrwegeeffekt: ± 1 Meter Störungen durch die Troposphäre: ± 0.5 Meter Rechnungs- und Rundungsfehler: ± 1 Meter => Summe Meter

44 DGPS (Differentielles GPS) Erhöhung der Genauigkeit auf 0.3 bis 2.5 m für die Lage und 0.2 m bis 5 m für die Höhe Stationären GPS-Referenzstation mit bekannter Position sendet Korrekturdaten ( khz) an mobilen Empfänger Zusätzlich zu GPS-Gerät ist ein DGPS- Empfänger notwendig

45 DGPS:Beispiel

46 Galileo Wie GPS ein globales satellitenbasiertes Navigationssystem Kompatible zu GPS, d.h. Galileo kann GPS- Daten nutzen, um Genauigkeit zu erhöhen Gebräuchliche GPS-Empfänger sind wiederum nicht Galileo-Kompatibel Wird nicht vom Militär betrieben/kontrolliert Finanziert durch ESA und EU

47 Galileo-Verlauf 1994 Beginn der Planungen 2005 Erster Testsatellit Giove-A 2010 Probebetrieb (vier Satelliten) 2013 geplante Inbetriebnahme Giove-A Signal

48 Galileo Allgemeines 30 Satelliten ( Ersatz) km über der Erde 3 Bahnebenen (56 Inklination zur Äquatorebene ), 9 Staelliten pro Bahnebene Lebensdauer min. 12 Jahre Nutzt 3 Frequenzbänder: L1 bei Mhz L5 bei 1176 Mhz E6 bei MHz

49 Galileo-Dienste Allgemeiner Dienst (Open Service) kostenlos nutzbar (für Endbenutzer) Genauigkeit ~ 4m Sicherer Dienst Sicherer Dienst (Safety-of-Life Service) überlebenswichtige Aufgaben rechtzeitige Warnungen im Falle von Genauigkeitseinschränkungen oder Ausfall von Satelliten; garantierte Verfügbarkeit

50 Galileo-Dienste 2 Kommerzieller Dienst (Commercial service) 2 zusätzliche Signale (verschlüsselt), die die Genauigkeit erhöhen kostenpflichtig, Genauigkeit 10 cm Regulierter Dienst (Public Regulated Service) für Polizei, Küstenwache, Militär besonders hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit Verschlüsselt und Fälschungssicher

51 Galileo-Dienste 3 Such- und Rettungsservice (Search and Rescue) für weltweite Rettungsmassnahmen zu jeder Zeit mindestens ein Satellit in der Lage Notsender von Schiffen, Personen, etc. zu empfangen

52 Navigation Position: Aktuelle Koordinate (z.b. N ' E ) Wegpunkte: Positionen, an denen man sich befunden hat und die man gespeichert hat Route: Folge von Wegpunkten in fester Reihenfolge (Wegpunkt = Wendepunkt) Track/Tracklog: In regelmäßigen Abständen (Zeit oder Weg) abgespeicherte Wegpunkte in fester Reihenfolge

53 Navigation Route zeigen Luftlinie zwischen Wegpunkten an, Tracks enthalten den tatsächlich zurückgelegten Weg (auflösungsabhänig!) Wegpunkte Route Track

54 Fin