GPS Global Positioning System

Transkript

1 GPS Global Positioning System Jörn Clausen Marty McFly: Dr. Emmett Brown: Then where the hell are they? The appropriate question is When the hell are they?

2 Übersicht 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

3 Entwicklung von GPS 1970er Jahre vom DoD in Auftrag gegeben verschiedene Vorläufer-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

4 Funktionsweise prinzipielle Idee: Trilateration Satelliten senden Signal mit koordinierter Zeitinformation Empfänger ermittelt range benötige Information: genaue Position der Satelliten genaues Zeitmaß sonstige Umwelteinflüsse GPS Global Positioning System 4/21

5 Funktionsweise prinzipielle Idee: Trilateration Satelliten senden Signal mit koordinierter Zeitinformation Empfänger ermittelt range benötige Information: genaue Position der Satelliten genaues Zeitmaß sonstige Umwelteinflüsse R 1 GPS Global Positioning System 4/21

6 Funktionsweise prinzipielle Idee: Trilateration Satelliten senden Signal mit koordinierter Zeitinformation Empfänger ermittelt range benötige Information: genaue Position der Satelliten genaues Zeitmaß sonstige Umwelteinflüsse R 1 GPS Global Positioning System 4/21

7 Funktionsweise prinzipielle Idee: Trilateration Satelliten senden Signal mit koordinierter Zeitinformation Empfänger ermittelt range benötige Information: genaue Position der Satelliten genaues Zeitmaß sonstige Umwelteinflüsse R 1 R 2 GPS Global Positioning System 4/21

8 Funktionsweise prinzipielle Idee: Trilateration Satelliten senden Signal mit koordinierter Zeitinformation Empfänger ermittelt range benötige Information: genaue Position der Satelliten genaues Zeitmaß sonstige Umwelteinflüsse R 1 R 2 GPS Global Positioning System 4/21

9 Funktionsweise prinzipielle Idee: Trilateration Satelliten senden Signal mit koordinierter Zeitinformation Empfänger ermittelt range benötige Information: genaue Position der Satelliten genaues Zeitmaß sonstige Umwelteinflüsse R 3 R 1 R 2 GPS Global Positioning System 4/21

10 Funktionsweise prinzipielle Idee: Trilateration Satelliten senden Signal mit koordinierter Zeitinformation Empfänger ermittelt range benötige Information: genaue Position der Satelliten genaues Zeitmaß sonstige Umwelteinflüsse R 3 R 1 R 2 GPS Global Positioning System 4/21

11 Aufbau von GPS Space Segment: Konstellation aus min. 24 Satelliten Control Segment: Überwachung und Steuerung der Konstellation User Segment: militärische oder zivile Endgeräte zwei Qualitäten: Standard Positioning Service (SPS): zivile Nutzung Precision Positioning Service (PPS): militärische Nutzung GPS Global Positioning System 5/21

12 Space Segment Block II/IIA, Block IIR a = km, e 0 halb-synchrone Orbits i = 55, 6 Ebenen 4 Satelliten pro Ebene + Spares z.z. 30 aktive Satelliten letzte Starts: , Cäsium- und Rubidium-Uhren GPS Global Positioning System 6/21

13 Control Segment Colorado Springs Hawaii Cape Canaveral Ascension Diego Garcia Kwajalein GPS Global Positioning System 7/21

14 User Segment GPS Global Positioning System 8/21

15 Positionsbestimmung gesendetes Signal enthält Zeitinformation Problem: (genaue) eigene Uhrzeit unbekannt Meßwert: pseudo range R p = R t + c t + d GPS Global Positioning System 9/21

16 Positionsbestimmung gesendetes Signal enthält Zeitinformation Problem: (genaue) eigene Uhrzeit unbekannt Meßwert: pseudo range R p = R t + c t + d = (x s x u ) 2 + (y s y u ) 2 + (z s z u ) 2 + c t + d GPS Global Positioning System 9/21

17 Positionsbestimmung gesendetes Signal enthält Zeitinformation Problem: (genaue) eigene Uhrzeit unbekannt Meßwert: pseudo range R p = R t + c t + d = (x s x u ) 2 + (y s y u ) 2 + (z s z u ) 2 + c t + d vier Unbekannte: x u, y u, z u, t GPS Global Positioning System 9/21

18 Positionsbestimmung gesendetes Signal enthält Zeitinformation Problem: (genaue) eigene Uhrzeit unbekannt Meßwert: pseudo range R p = R t + c t + d = (x s x u ) 2 + (y s y u ) 2 + (z s z u ) 2 + c t + d vier Unbekannte: x u, y u, z u, t (R p1 c t d 1 ) 2 = (x s1 x u ) 2 + (y s1 y u ) 2 + (z s1 z u ) 2.. (R p4 c t d 4 ) 2 = (x s4 x u ) 2 + (y s4 y u ) 2 + (z s4 z u ) 2 GPS Global Positioning System 9/21

19 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 verschlüsselte Version des P-Code navigation message: mit 50 Hz auf C/A- und P-Code moduliert GPS Global Positioning System 10/21

20 Navigation Message TW HOW Clock Correction TW HOW Ephemeris TW HOW Ephemeris TW HOW Message TW HOW Almanach/Health 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

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

22 Atmosphärische Einflüsse Ionosphäre für ca. 50% der Ungenauigkeit von GPS verantwortlich Ionosphärendaten in Navigation Message grobes Modell, nicht sehr zeitnah (wöchentliche updates) Laufzeitverzögerung abhängig von Signal-Frequenz Vergleich von L1 und L2 Vergleich mit Referenzempfänger Differential GPS (DGPS) genaueres Ionosphären-Modell aus anderen Quellen GPS Global Positioning System 13/21

23 Genauigkeit von GPS GPS Global Positioning System 14/21

24 Augmentation Systems Idee: besseres Modell für Ionosphäre Verteilung der Daten: Netz von terrestrischen Sendern geostationäre Satelliten GPS-ähnliches Signal, eigene PRNs Satellite Based Augmenation System: WAAS (Nordamerika) EGNOS (Europa) MSAS (Japan) GPS Global Positioning System 15/21

25 Neuerungen Forderung: Kompatibilität 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 GPS Global Positioning System 16/21

26 Alternativen GLONASS (Sowjetunion bzw. Russland) Globalnaya Navigationnaya Sputnikovaya Sistema nominell 24 Satelliten, derzeit 8 funktionsfähig 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, öffentliche und kommerzielle Nutzung, SAR Anti-Spoofing durch Signatur, Public-Key-Verfahren erste Satelliten 2005, FOC 2008 GPS Global Positioning System 17/21

27 Anwendungen GPS Global Positioning System 18/21

28 Kurze Unterbrechung... GPS Global Positioning System 19/21

29 comp.risks erhöhte Gefahr von Kollisionen friendly fire Toll Collect GPS/Glonass Jammer für $ 4000 (Januar 1998) GPS Global Positioning System 20/21

30 Stupid GPS Tricks GPS Jammer + 12 Volt Lead-Acid Battery Crystal Power SPST 1N5401 Tweak to get MHz CW 5-18 pf 10 MHz 1 Amp Fuse 5-18 pf LM M09 + IN -12 OUT + IN OUT + 47 µf (E) 35 V N = 315 R = 512 Ref = Hz Freq = 1575 MHz 33 k NC NC NC NC 100 k 0.01 µf OSCout OSCin LD Motorola MC PLL 2N VDC +9 VDC Output Output 22 µf (T) Voltage Regulation PLL Unlock RA2 RA1 RA PDout Vdd Vss Fin NC NC NC NC NC NC NC NC Panel Mount LED 22 µf (T) Noise Jammer for the L1 GPS Frequency ( MHz) PLL Loop Filter 1.0 µf (T) 0.1 µf 1.0 µf (T) k 1.5 µf (T) 10 µh µf 1000 pf 1 k 100 Noise Deviation Set to +/ MHz 8.2 k OUT µf 78L05 CW/ EXTERNAL IN 2 k 0.1 µf 100 µf (E) /4 W NOISE 0.1 µf 10 Jam Mode Select Panel Mount SPDT 1 k TP1 0.1 µf 1N VDC TP2 +9 VDC NC VCO Vt 5 8 National LM386 4 Vcc + 10 µf (T) 0.1 µf RF Micronetics M S Prescaler Output 10 µf (T) µf 24 1 k 10 µh 0.1 µf 0.01 µf 220 Noise Generator 2N3904 Attenuation Pad 2 k NC 22 k VDC 100 pf 2 k 0.1 µf 100 pf Prescaler Input N V 68 1/2 W RF Amplifier Sirenza SGA-6289 NC NC Fijitsu MB506 or NEC UPB1507GV Divde-by µf 100 pf 100 pf 1000 pf +9 VDC 22 nh 22 nh 100 pf 1.5 nh pf +9 VDC Band Pass Filter Toko 4DFA-1575B-12 Ferrite Bead 1.5 pf RF Amplifier Notes: Resistors in ohms, 5% unless noted (k = 1000) Everything should be SMT unless noted NC = Not connected Capacitors are 16 V (min.) (E) = Al Electrolytic (T) = Tantalum WJ AH Ohm micro stripline Test Point Voltages: TP1 = 13 mv peak-to-peak TP2 = 3.77 V (PLL Locked) 100 pf P1dB = +27 dbm (500 mw) RF Out To Antenna or Higher Power Amplifier Phrack Magazine, Issue # pf 1000 pf 1 µf (T) + GPS Global Positioning System 21/21

31 Anhänge GPS Global Positioning System 22/21

32 Stecknadelhaufen CDMA (Code Division Multiple Access) jeder Sender hat charakteristisches Bitmuster (chip sequence) C 1 = ( 1, 1, 1, 1) C 2 = (+1, 1, +1, 1) Eigenschaften: C i C i = 1 C i ( C i ) = 1 C i C j = 0, für i j sende C für 1, C für 0 Signal S ist Summe aller Bitmuster Bit von Sender i herausfiltern: S C i = (b 1 C b i C i b n C n ) C i = b i GPS Global Positioning System 23/21

33 Random Noise C/A-Code: 1023 chips, 1,023 MHz, 1 ms Dauer 2 Gold-Codes durch linear feedback shift registers verschiedene PRNs (Pseudo Random Noise) PRNs 1 32 für GPS-Satelliten, für andere Sender P-Code: chips, 10,23 MHz, 7 Tage Dauer GPS Global Positioning System 24/21

34 Signal-Erzeugung Datenstrom: Modulo-2-Summe aus Code und navigation message Kodierung per BPSK im L1- bzw. L2-Signal Binary Phase Shift Keying GPS Global Positioning System 25/21

35 Differential GPS Idee: viele Fehler identisch für benachbarte Empfänger Referenzempfänger an bekannter Position zwei Möglichkeiten: nachträgliche Korrektur durch Verknüpfung der Messungen online-korrektur Ranging-Code Differential: Messung der Differenz R p R t für jeden Satelliten atmosphärische Fehler und Uhr-/Ephemeriden-Fehler Empfänger muß Position der Referenzstation nicht kennen DGPS in Deutschland: Sender in Mainflingen, Telekom und BfK GPS Global Positioning System 26/21

36 Quellen Einige der gezeigten Abbildungen stammen aus frei zugänglichen Quellen im WWW. Die Mehrzahl von ihnen dürfte einem Copyright unterliegen. Sollte ein Copyright-Inhaber Einwände gegen die Veröffentlichung innerhalb dieser Präsentation haben, möge er sich bitte an den Autor wenden. Some of the images shown in this presentation were downloaded from publicaly available sources in the WWW. Most of them are probably copyrighted. If a copyright owner objects to the use and publication of his/her images in the context of this presentation, please contact the author. GPS Global Positioning System 27/21