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1 26. GPS - Global Positioning System GPS Geräte Amerikanisches Satellitennavigationssystem. Zivile & militärische Navigation: Satellitenkonstellation, Karte mit Wegpunkten, Reisestatistik, Höhenprofil... Geräte: Marinegeräte, Handyformate, Einbaugeräte, GPS-Maus, PDAs. 1 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, P. Schulthess, Universität Ulm

2 Nominale Konstellation : 6 Umlaufbahnen mit je 4 Satelliten, 55º Inklination/Neigung zum Äquator, 24 Satelliten (+ Reserve), Km Bahnradius, 12 Stunden Umlaufzeit. Europäische Satelliten: Glonas, Galileo GPS Umlaufbahnen 2 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, P. Schulthess, Universität Ulm

3 26.3. Reserve-Satelliten Reservesatelliten werden auf die 6 Umlaufbahnen verteilt. Satelliten müssen gelegentlich zu Wartungszwecken abgeschaltet werden. Umsteuerung zwischen Bahnen wird wegen des zu grossen Treibstoffverbrauchs nicht vorgenommen. 3 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, P. Schulthess, Universität Ulm

4 26.4. Triangulation Empfänger bestimmt seine Position durch Triangulation. Satelliten senden Position & Uhrzeit. Uhr im Empfänger ist jedoch ungenau. 3 Satelliten genügen für eine Position auf der Erdoberfläche (eigentlich genügen 2, aber die Zeit im Gerät ist a priori unbekannt). Bodenstationen senden Korrekturpolynome für Ort & Zeit. Ausgleichsrechnung bei mehr Satelliten. Ausgleichsrechnung auch für Uhrzeit. 4 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, P. Schulthess, Universität Ulm

5 26.5. Einsatzbereiche Militärische Positionsbestimmung: für Marschflugkörper und zur Orientierung in fremdem Gelände, passives System, kann nicht geortet werden. Zivile Positionsbestimmung: Luftverkehr, Fahrerassistenzsysteme, Routenkontrolle. Seismische Messungen: Landvermessung, Unregelmässigkeiten der Erdkugel, dyn. Verformungen der Erdkugel. Normalzeit-Referenz (GPS-Time, UTC): alternative zum DCF77 Signal, Für verteilte Computeranwendungen, evtl. neuartige Zugriffsprotokolle für LANs/WANs. Differential GPS: Referenzstation im lokalen Bereich, lokale Korrektur der Positionsdaten, normalerweise über Langwelle. 5 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, P. Schulthess, Universität Ulm

6 26.6. Realisierung Zeitnormal im Satelliten: Meist mehrere Atomuhren parallel, 2 Rubidium Uhren, 2 Cäsium Uhren (eher wartungsintensiv). Paketformat: Satellitenzeit & -korrektur, Position des sendenden Satelliten, Position der anderen Satelliten (Almanach). Spreizspektrum (direct sequence spread spectrum, DSSS): ziviler Code: Chiprate 1 MHz, militärischer Code (P): Chiprate 10 MHz, Einstieg in P-Code über zivilen Code. 6 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, P. Schulthess, Universität Ulm

7 Masterframe (12,5 min, 750 sec) : 25 Basic Messages GPS Navigation Message Basic Message bzw. Frame ( alle 30 sec): 5 Subframes (à je 6 sec), 50 bit/sec. Subframe [1..3]: Zeit & Umlaufbahn dieses Satelliten. 10 Wörter à je 30 Bits, Zeitkorrektur. Almanach: Kalender für alle Satelliten, Systemdaten (Integrity,...), alle 750 sec wiederholt, besteht aus 50 Seiten. Subframe [4..5] : 2 Seiten aus dem Almanach für alle Satelliten. Master Frame... Subframe Subframe Subframe Subframe Subframe Basic Message (30 sec) System Info (Almanach) 7 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, P. Schulthess, Universität Ulm 6 sec

8 26.8. Modulation C/A Datenrate ist 50 Bit/sec. C/A-PRN (Coarse Acquisition): 1023 Bit Pseudorandom-Code, Wiederholung 1000 mal / sec, Ergibt 1023 KHz Bandbreite, Spreizfaktor L1 Träger C/A-PRN C/A Data ~1 MHz 1.57 GHz P-PRN (Precision Code): MHz Chiprate, Periode 267 Tage. P-Data Erzeugung: Unterschiedlicher Code für jeden Satelliten, z.b. mit rekursivem 10 Bit Schieberegister, 32 Satelliten & 51 Pseudoliten. P-PRN L2 Träger ~10 MHz 1.22 GHz 8 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, P. Schulthess, Universität Ulm

9 Überlagerte Fehlerquellen: Mehrwegeausbreitung, ionosphärische Dispersion, Wolken in der Troposhäre, Genauigkeit der Messung Genauigkeit Je nach Empfängertechnik 1 mm m. künstlich vergröbert für zivile Anwendungen, unterschiedliche Kartographierungssysteme, Messung und Kompensierung der Dispersion in der Ionosphäre, einzelner C/A Chip: ungefähr 1 µsec bzw. 300 m, Genauigkeit ca. 10 m... Einzelner P-Code Chip: für militärische Anwendungen, ca. 0.1 µsec bzw. 30 m, ca. 1 m genau. 9 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, P. Schulthess, Universität Ulm

10 Synchronisieren auf Trägerphase: Periodendauer ca. 0.6 nsec bzw. 20 cm, Synchronität unterwegs beibehalten, z.b. für Vermessungen, ca. 1 cm genau... Selective Availability (S/A): seit April 2000 abgeschaltet, Absichtliche Degradation des Zeitstempels in der C/A-Message, Verschlüsselung der Korrektur im P-Code, überlisten durch Chip-Synchronisierung. Ergänzung durch Differentielles GPS. Synchrone Verfahren sind für portable oder militärische Geräte ungeeignet, da nicht robust und klein genug. 10 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, P. Schulthess, Universität Ulm

11 Differentielles GPS Korrektursignal über Radiomodem und serielle Schnittstelle am Empfänger. Kurze Distanzen zwischen fester und mobiler Station. Genau vermessene Referenzstationen. Feste Station berechnet Differenzsignal: für alle sichtbaren Satelliten, relativ zur eigenen Position, in Echtzeit... Wide Area Augmentation System: = WAAS für US only, Flächendeckendes Korrektursystem, Lokale Ausbreitungsbedingungen, Verteilung über Satelliten, Satellitenzustand MHz 11 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, P. Schulthess, Universität Ulm