Blätter zur Vorlesung - Institut für Verteilte Systeme

24.
Global Positioning System (GPS)
 Amerikanisches Satellitennavigationssystem.
24.1
Einsatzbereiche
 Militärische & zivile Positionsbestimmung:
-
Zielfindung für Marschflugkörper,
Systeme zur Flugsicherung,
Orientierung im Gelände,
Fahrerassistenzsysteme,
passives System !
 Seismische Messungen:
- Unregelmässigkeiten der Erdkugel,
- dyn. Verformungen der Erdkugel,
- Landvermessung.
 Nutzung als Zeitnormal ...
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24.2
24.2.1
Grundprinzip
Triangulation
 Jeder Satellit sendet
Position und Uhrzeit.
 Empfänger bestimmt seine
Position durch
Triangulation.
 Eigentlich genügen 3
Satelliten für eine Position
auf der Erdoberfläche.
 Ausgleichsrechnung bei
mehr Satelliten.
x, y, z
t
 Bodenstationen senden
Korrekturpolynome.
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24.2.2
Geometrische Orte
 2 Orte auf der Erdoberfläche mit 2 Satelliten.
 Im dreidimensionalen Raum mit drei Satelliten.
 Ohne eigene genaue Uhr mit viertem Satellit.
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24.2.3
Nominale GPS Konstellation
 24 Satelliten in 6 Umlaufbahnen.
 4 Statelliten pro Bahn
 55 Grad Inklination
 20200 km Höhe.
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24.2.4
Reserve-Satelliten
 24 aktive Satelliten.
 ~3 Reservesatelliten.
 6 verschiedene Bahnen.
 12 Äquatorschnittpkte.
 Quelle: Peter H. Dana
 Satelliten gelegentlich zu Wartungszwecken abschalten.
 Reservesatelliten werden auf die 6 Umlaufbahnen verteilt.
 Wegen Treibstoffverbrauchs keine Umsteuerung zwischen Bahnen.
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24.3
24.3.1
Realisierung
Bei-Spielgerät
 Elektronische Wanderhilfe:
-
Geschwindigkeit & Weg,
Satellitenkonstellation,
Höhenmesser,
Landkarte ...
 Unterschiedliche Kartographierungssysteme einstellbar
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24.3.2
GPS Navigation Message
 Masterframe:
- 12,5 min, 750 sec,
- 25 Basic Messages.
 Basic Message/ Frame:
- 30 sec Dauer,
- 5 Subframes à je 6 sec,
- 5*10 Wörter à je 30 Bits.
System Info
(Almanach)
Master
Frame
. . .
Subframe
Subframe
Subframe
Subframe
Subframe
Basic Message
 Subframe [1..3]:
- Polynom für Zeitkorrektur,
- Zeit & Umlaufbahn dieses Satelliten.
 Subframe [4..5] :
- 2 Seiten aus dem Almanach für alle
Satelliten.
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Almanach (="Sternkalender")
-
Umlaufkalender für alle Satelliten,
Systemdaten (Integrität, ... ),
alle 750 sec wiederholt,
besteht aus 50 Seiten.
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24.3.3
Modulation:
 Spreizspektrumverfahren:
-
direct sequence spread spectrum,
ziviler Code(C/A): 1 MHz Chiprate,
militärischer Code (P): 10 MHz Rate,
Einstieg in P-Code über zivilen Code.
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 20000.
 P-PRN (Precision Code):
L1 Träger
1.57 GHz
C/A-PRN
~1 MHz
C/A Data
P-Data
P-PRN
~10 MHz
1.22 GHz
L2 Träger
- 10.23 MHz Chiprate,
- Periode 267 Tage.
 Y-Code nach der Entschlüsselung.
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24.3.4
Signaleigenschaften
 Codierung:
 Atomuhren im Satelliten:
- Früher Cäsium, neuerdings Rubidium,
- Cäsium Uhren sind eher wartungsintensiv,
- Mehrere Uhren aus Redundanzgründen.
 Nutzung als Zeitnormal:
Multiplier
- Unverschlüsselte Nachricht ungenau,
- Max. Genauigkeit nur für Militär,
- Abgeschaltet seit 1.4.2000.
Oszillator
 "Selective Availability":
Atom-Resonator
- Unterschiedlicher Code für jeden Satelliten,
- z.B. mit rekursivem 10 Bit Schieberegister,
- 32 Satelliten & 51 „Pseudoliten“.
*X
Regelung
- Für verteilte Anwendungen und LAN/WAN Protokolle,
- Alternative zum DCF77 Signal.
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24.3.5
Differentielles GPS
 Korrektur über Radio Modem und serielle Schnittstelle am Empfänger.
 Kurze Distanzen zwischen fester & mobiler Station.
 Genau vermessene Referenzstation am Boden.
 Feste Station berechnet Differenzsignal:
- für alle sichtbaren Satelliten,
- relativ zur eigenen Position,
- in Echtzeit ...
 "WAIS" geplant:
= Wide Area Augmentation System,
- Flächendeckendes Korrektursystem,
- Lokale Ausbreitungsbedingungen,
- Verteilung über Satelliten,
- Satellitenzustand.
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24.4
Genauigkeit der Messung
 Einzelner C/A Chip:
- Ungefähr 1 µsec bzw. 290 m,
- Genauigkeit ca. 10 m ...
 Einzelner P-Code Chip:
- für militärische Anwendungen,
- ca. 0.1 µsec bzw. 29 m,
- ca. 1 m genau.
Überlagerte Fehlerquellen:
- Mehrwegeausbreitung,
- ionosphärische Dispersion,
- Wolken in der Troposhäre.
 Synchronisieren auf Trägerphase:
- Periodendauer ca. 0.6 nsec bzw. 20 cm,
- Synchronität unterwegs beibehalten,
- ~ 1 cm genau, für Vermessungen ...
 Selective Availability:
- Degradation des Zeitstempels in der C/A-Message,
- Verschlüsselung der Korrektur im P-Code,
- überlisten durch Chip-Synchronisierung.
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