Geräte: Marinegeräte, Handyformate, Einbaugeräte, GPS-Maus, PDAs.

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1 27. GPS - Global Positioning System GPS Geräte Amerikanisches Satellitennavigationssystem. Zivile & militärische Navigation: Satellitenkonstellation, Karte mit Wegpunkten, Reisestatistik, Höhenprofil... Geräte: Marinegeräte, Handyformate, Einbaugeräte, GPS-Maus, PDAs. Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS I nformatik, Universität Ulm 1

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 Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm 2

3 27.3. 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. Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm 3

4 27.4. 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. Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm 4

5 Militärische Positionsbestimmung: Einsatzbereiche 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. Rechnern etze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm 5

6 Zeitnormal im Satelliten: Realisierung 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. Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm 6

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 Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm 7 6 sec... Subframe Subframe Basic Message (30 sec) System Info (Al h)

8 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 P-PRN (Precision Code): MHz Chiprate, Periode 267 Tage. Erzeugung: Modulation Unterschiedlicher Code für jeden Satelliten, z.b. mit rekursivem 10 Bit Schieberegister, 32 Satelliten & 51 Pseudoliten. L1 Träger C/A-PRN C/A Data P-Data P-PRN L2 Träger ~1 MHz ~10 MHz 1.57 GHz 1.22 GHz Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm 8

9 Überlagerte Fehlerquellen: Mehrwegeausbreitung, ionosphärische Dispersion, Wolken in der Troposhäre, Genauigkeit Genauigkeit der Messung 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. Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm 9

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. Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm 10

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 1.50 MHz Rechnernetze II, Sommer 2004, P. Schulthess, VS Informatik, Universität Ulm 11