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GPS – Global Positioning System

Jorn [email protected]

Marty McFly: Then where the hell are they?

Dr. Emmett Brown: The appropriate question is ‘When the hell are they?’

Ubersicht

• 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

Entwicklung von GPS

• 1970er Jahre vom DoD in Auftrag gegeben

• verschiedene Vorlaufer-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


Funktionsweise

• prinzipielle Idee: Trilateration

• Satelliten senden Signal mit

koordinierter Zeitinformation

• Empfanger ermittelt range

• benotige Information:

– genaue Position der Satelliten

– genaues Zeitmaß

– sonstige Umwelteinflusse

R1R2

R3


Aufbau von GPS

• Space Segment: Konstellation aus min. 24 Satelliten

• Control Segment: Uberwachung und Steuerung der Konstellation

• User Segment: militarische oder zivile Endgerate

• zwei Qualitaten:

– Standard Positioning Service (SPS): zivile Nutzung

– Precision Positioning Service (PPS): militarische Nutzung


Space Segment

• Block II/IIA, Block IIR

• a = 26600 km, e ≈ 0

• halb-synchrone Orbits

• i = 55◦, 6 Ebenen

• 4 Satelliten pro Ebene + Spares

• z.Z. 30 aktive Satelliten

• letzte Starts: 23.6.2004, 6.11.2004

• Casium- und Rubidium-Uhren


Control Segment

Colorado Springs

Ascension Diego Garcia

KwajaleinHawaii Cape Canaveral


User Segment


Positionsbestimmung

• gesendetes Signal enthalt Zeitinformation

• Problem: (genaue) eigene Uhrzeit unbekannt

• Meßwert: pseudo range

Rp = Rt + c∆t + d

=√

(xs − xu)2 + (ys − yu)2 + (zs − zu)2 + c∆t + d

• vier Unbekannte: xu, yu, zu, ∆t

(Rp1 − c∆t − d1)2 = (xs1 − xu)2 + (ys1 − yu)2 + (zs1 − zu)2

......

(Rp4 − c∆t − d4)2 = (xs4 − xu)2 + (ys4 − yu)2 + (zs4 − zu)2


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 verschlusselte Version des P-Code

• navigation message: mit 50 Hz auf C/A- und P-Code moduliert


Navigation Message

60

TW HOW

TW

TW

TW

TW

HOW

HOW

HOW

HOW

Clock Correction

Ephemeris

Ephemeris

Message

Almanach/Health

300 300

• 25 frames, 5 subframes

• subframes 1–3 in jedem frame identisch

• minimale Daten nach 30 Sekunden, alle Daten nach 12,5 Minuten


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


Atmospharische Einflusse

• Ionosphare fur ca. 50% der Ungenauigkeit von GPS verantwortlich

• Ionospharendaten in Navigation Message

– grobes Modell, nicht sehr zeitnah (wochentliche updates)

• Laufzeitverzogerung abhangig von Signal-Frequenz

– Vergleich von L1 und L2

• Vergleich mit Referenzempfanger

– Differential GPS (DGPS)

• genaueres Ionospharen-Modell aus anderen Quellen


Genauigkeit von GPS


Augmentation Systems

• Idee: besseres Modell fur Ionosphare

• Verteilung der Daten:

– Netz von terrestrischen Sendern

– geostationare Satelliten

• GPS-ahnliches Signal, eigene PRNs

• Satellite Based Augmenation System:

– WAAS (Nordamerika)

– EGNOS (Europa)

– MSAS (Japan)


Neuerungen

• Forderung: Kompatibilitat 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


Alternativen

• GLONASS (Sowjetunion bzw. Russland)

– Globalnaya Navigationnaya Sputnikovaya Sistema

– nominell 24 Satelliten, derzeit 8 funktionsfahig

– 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, offentliche und kommerzielle Nutzung, SAR

– Anti-Spoofing durch Signatur, Public-Key-Verfahren

– erste Satelliten 2005, FOC 2008


Anwendungen


Kurze Unterbrechung . . .


comp.risks

• erhohte Gefahr von Kollisionen

• friendly fire

• Toll Collect

• GPS/Glonass Jammer fur $ 4000 (Januar 1998)


Stu

pid

GPS

Tricks

281

14152048

1024

8192

4096

512

256

128

64 32 168421

MC

145151

Vcc

Vt

RF

RF

Ou

t1

23

1.5 pF

1.5 nH

Prescaler Input

P1dB

= +

27 dBm

(500 mW

)

No

tes:

+12 VD

C

Micro

netics

100 pF

VC

O

12

3

100 pF

+9 VD

C

100 pF

1000 pF

100 pF100 pF

33 k

2N3906

PL

L

Un

lock

+9 VD

C

6.8 V

22 k

Set to +

/- 1.023 MH

zN

oise D

eviation

NO

ISE

Siren

zaS

GA

-6289

68

Tw

eak to get1575.42 M

Hz C

W

Noise G

enerator

+

NC

NC

NC

NC

NC

NC

NC

NC

NC

NC

100

RA

0

RA

1

RA

2

PD

out

Fin

LD OS

Cin

OS

Cout

Vdd

Vss

PLL Loop F

ilter

+L

M386

Ph

rack Mag

azine, Issu

e #60w

ww

.ph

rack.org

1 k

1000 pF

5-18 pF

+

100 pF

No

ise Jamm

er for th

e L1 G

PS

Freq

uen

cy (1575.42 MH

z)

(T) =

Tantalum

M3500-1324S

180

++

12 Vo

lt Po

wer

SP

ST

1N5401

35 V

Ou

tpu

t

78M09

LM2940

-12+ Ou

tpu

t

1 Am

pF

use

Voltage R

egulation

PLL

Crystal

Prescaler O

utput

Jam M

od

e Select

10 µH

0.1 µF

0.01 µF

0.1 µF

0.1 µF

1.0 µF (T)

10 µH

0.01 µF

0.1 µF

5-18 pF

10

1N4148

+

NC

= N

ot connected

Ferrite B

ead

Fijitsu

MB

506or

0.1 µF

To A

ntenna orH

igher Pow

erA

mplifier

TP

2

1N5235

+12 VD

C

2 k

22 nH22 nH

0.1 µF

+9 VD

C78L05

Natio

nal

Mo

toro

la

NE

C U

PB

1507GV

To

ko 4D

FA

-1575B-12

NC

2N3904

0.1 µF

0.1 µF

Lead

-Acid

Battery

TP

2 = 3.77 V

(PLL Locked)

Test P

oin

t Vo

ltages:

Everything should be S

MT

unless noted100 pF

1000 pF

Panel M

ount SP

DT

Panel M

ount LED

+

22 µF (T

)

N =

315

NC

NC

NC

220 24

220

100 pFA

ttenuation Pad

47 µF (E

)

100 µF (E

)

Capacitors are 16 V

(min.)

0.1 µF

TP

1

+12 VD

C+9 V

DC

10 MH

z

R =

512

100 k

Freq =

1575 MH

zR

ef = 19531.25 H

z

1/2 W

+

1 µF (T)

RF

Am

plifierR

F A

mplifier

+

10 µF (T

) 1 458

18

45

INO

UT

OU

TIN

OU

TIN

101/4 W

8.2 k

1.8 k

0.022 µF

1 k

10 µF (T)

0.1 µF

TP

1 = 13 m

Vpeak-to-peak

1.5 µF (T

)1.0 µF

(T)

+

1 k

Resistors in ohm

s, 5%unless noted (k =

1000)

10

NC

NC

22 µF (T

)

2 k

390

(E) =

Al E

lectrolytic

2 k

GP

S Jam

mer

50 Ohm

micro stripline

WJ A

H102

Divde-by-256

Band P

ass Filter

EX

TE

RN

AL

CW

/

GP

S–

Glo

balP

ositio

nin

gSystem

21

/21

Anhange


Stecknadelhaufen

• CDMA (Code Division Multiple Access)

• jeder Sender hat charakteristisches Bitmuster (chip sequence)

C1 = (−1,−1,−1,−1) C2 = (+1,−1, +1,−1)

• Eigenschaften:

Ci · Ci = 1 Ci · (−Ci) = −1 Ci · Cj = 0, fur i 6= j

• sende C fur 1, −C fur 0

• Signal S ist Summe aller Bitmuster

• Bit von Sender i herausfiltern:

S · Ci = (b1C1 + . . . + biCi + . . . + bnCn) · Ci = bi


Random Noise

• C/A-Code: 1023 chips, 1,023 MHz, 1 ms Dauer

• 2 Gold-Codes durch linear feedback shift registers

⊕

2 3 4 5 6 7 8 9 101

• 36 verschiedene PRNs (Pseudo Random Noise)

• PRNs 1–32 fur GPS-Satelliten, 33–36 fur andere Sender

• P-Code: 15345000 chips, 10,23 MHz, 7 Tage Dauer


Signal-Erzeugung

• Datenstrom: Modulo-2-Summe aus Code und navigation message

• Kodierung per BPSK im L1- bzw. L2-Signal

• Binary Phase Shift Keying


Differential GPS

• Idee: viele Fehler identisch fur benachbarte Empfanger

• Referenzempfanger an bekannter Position

• zwei Moglichkeiten:

– nachtragliche Korrektur durch Verknupfung der Messungen

– online-Korrektur

• Ranging-Code Differential:

– Messung der Differenz Rp − Rt fur jeden Satelliten

– atmospharische Fehler und Uhr-/Ephemeriden-Fehler

– Empfanger muß Position der Referenzstation nicht kennen

• DGPS in Deutschland: Sender in Mainflingen, Telekom und BfK


Quellen

Einige der gezeigten Abbildungen stammen aus frei zuganglichen Quellen im

WWW. Die Mehrzahl von ihnen durfte einem Copyright unterliegen. Sollte ein

Copyright-Inhaber Einwande gegen die Veroffentlichung innerhalb dieser

Prasentation haben, moge 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.


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