GPS Global Positioning System

GPS – Global Positioning System Jorn ¨ Clausen [email protected] Marty McFly: Then where the hell are they? Dr. Emmett Brown: The appro...
Author: Guido Kneller
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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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