GPS – Global Positioning System
Jorn ¨ Clausen
[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
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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
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Funktionsweise • prinzipielle Idee: Trilateration R3
• Satelliten senden Signal mit koordinierter Zeitinformation • Empfanger ermittelt range ¨ • benotige Information: ¨
R1
R2
– genaue Position der Satelliten – genaues Zeitmaß – sonstige Umwelteinflusse ¨
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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 ¨
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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 • Casiumund Rubidium-Uhren ¨
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Control Segment
Colorado Springs Hawaii
Cape Canaveral Kwajalein Ascension
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Diego Garcia
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User Segment
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Positionsbestimmung • gesendetes Signal enthalt ¨ Zeitinformation • Problem: (genaue) eigene Uhrzeit unbekannt • Meßwert: pseudo range Rp
= Rt + c∆t + d p = (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 GPS – Global Positioning System
= (xs4 − xu )2 + (ys4 − yu )2 + (zs4 − zu )2
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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 GPS – Global Positioning System
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Navigation Message 0
60
30
300
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
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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
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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 ¨
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Genauigkeit von GPS
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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)
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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
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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 GPS – Global Positioning System
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Anwendungen
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Kurze Unterbrechung . . .
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comp.risks
• erhohte Gefahr von Kollisionen ¨ • friendly fire • Toll Collect • GPS/Glonass Jammer fur ¨ $ 4000 (Januar 1998)
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Power 1 Amp SPST Fuse +
IN
LM2940 -12
OUT
IN
+12 VDC Output
+
1000 pF
1k
100 µF (E) +
0.1 µF
NC
+12 VDC
10
5
8
Noise Generator
2k
0.1 µF
8
+9 VDC
0.1 µF
1N5235 6.8 V
68 1/2 W
1 2 3
22 nH
Everything should be SMT unless noted
Resistors in ohms, 5% unless noted (k = 1000)
Notes:
NC = Not connected
22 nH
100 pF
+
P1dB = +27 dBm (500 mW)
WJ AH102
RF Out To Antenna or Higher Power Amplifier
Test Point Voltages: TP1 = 13 mVpeak-to-peak TP2 = 3.77 V (PLL Locked)
50 Ohm micro stripline
Capacitors are 16 V (min.) (E) = Al Electrolytic (T) = Tantalum
RF Amplifier
Ferrite Bead
+9 VDC
Band Pass Filter
1.5 pF
100 pF 1.5 nH 1 2 3
Toko 4DFA-1575B-12
100 pF
100 pF
Sirenza SGA-6289
100 pF
RF Amplifier
+12 VDC
22 k
1
Prescaler Input
100 pF
390
2N3904
1k
0.1 µF
24
Attenuation Pad
+
1
4
National LM386
+
10 µF (T)
RF
0.1 µF
1000 pF
Noise Jammer for the L1 GPS Frequency (1575.42 MHz) +9 VDC Output
+
100 Noise Deviation Set to +/- 1.023 MHz
Vcc
VCO
Jam Mode Select Panel Mount SPDT
NOISE
TP1
1k
TP2
Vt
10
Micronetics M3500-1324S
Phrack Magazine, Issue #60 www.phrack.org
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Stupid GPS Tricks
78M09 OUT
22 µF (T)
CW/ EXTERNAL
0.022 µF
0.1 µF
1N4148
+9 VDC
NC
NC
5
100 pF
GPS Jammer
+
22 µF (T)
+
2k
10 1/4 W
4
Fijitsu MB506 or NEC UPB1507GV Divde-by-256
1000 pF
47 µF (E) 35 V
PLL Loop Filter
+
1.0 µF (T) 1.5 µF (T)
IN
NC
2k
100 pF
1N5401
NC
78L05
0.1 µF
Prescaler Output
0.01 µF
1 µF (T)
12 Volt Lead-Acid Battery
14
1.8 k 8.2 k
OUT
10 µH
220
Voltage Regulation
Motorola MC145151
0.1 µF
10 µF (T)
220
NC NC
+
10 µH
NC NC
8 4 2 1
NC NC NC NC NC
1
0.1 µF
16 32 64 128 256 512
RA2 RA1 RA0 PDout Vdd Vss Fin
0.1 µF
NC NC
4096 8192 1024 2048 OSCout OSCin LD 28
PLL
2N3906
PLL Unlock Panel Mount LED
180
1.0 µF (T)
N = 315 R = 512 Ref = 19531.25 Hz Freq = 1575 MHz 15
Tweak to get 1575.42 MHz CW
5-18 pF
5-18 pF
Crystal 10 MHz
33 k
0.01 µF
100 k
Anhange ¨
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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 = (b1 C1 + . . . + bi Ci + . . . + bn Cn ) · Ci = bi GPS – Global Positioning System
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Random Noise • C/A-Code: 1023 chips, 1,023 MHz, 1 ms Dauer • 2 Gold-Codes durch linear feedback shift registers
⊕
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
• 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
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Signal-Erzeugung • Datenstrom: Modulo-2-Summe aus Code und navigation message • Kodierung per BPSK im L1- bzw. L2-Signal • Binary Phase Shift Keying
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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 GPS – Global Positioning System
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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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