GPS Status en Evolutie

Transcriptie

1 GPS Status en Evolutie Huidige en Toekomstige Signalen Tom Willems 12/12/2014, Haarlem

2 Overzicht Septentrio GPS segmenten en beknopt principe GPS plaatsbepaling ( standalone ) GPS signalen vandaag en in de toekomst Block IIA/IIR Block IIR-M, L2C, CNAV Block IIF, L5, CNAV Block III, L1C, CNAV-2 Evolutie controlesegment Synthese December 13,

3 Septentrio Septentrio NV (Leuven BE), Septentrio Inc. en Altus Inc. (Torrance CA) Internationaal team van 100 HW, SW, RF, DSP, PVT experts Eigen HW/SW technologie en bouwstenen (inclusief ASICs) OEM GNSS ontvangers en GNSS/INS hybride oplossingen Machinecontrole (precisie landbouw, constructie, ) Maritiem (offshore engineering, ) Automatisering (containerterminals, ) Instrumentatie (onderzoek, timing, ) Survey/GIS apparatuur: Ontvangers voor luchtvaart (certifiable), UAVs, Contractwerk (ESA, GSA, ) o.a. Galileo Test User Segment (TUR-N & TUR-P) ontvangers December 13, 2014 SEPTENTRIO IN CONFIDENCE 3

4 GPS Segmenten Ruimtesegment (satellieten) Zenden signalen uit die (pseudo-) afstandsmeting toelaten Signalen bevatten navigatiedata waaruit de huidige positie van de satellieten berekend kan worden Controlesegment (wereldwijd) Monitoren van de signalen Berekenen van navigatiedata (voorspelde baanparameters, ) Regelmatig uploaden van de navigatiedata naar de satellieten Gebruikerssegment December 13,

5 GPS Segmenten Figuur: US Government December 13,

6 GPS Ruimtesegment 30 operationele satellieten, 5+ reserve MEO baan ca km boven het aardoppervlak 6 baanvlakken 2 omwentelingen rond de aarde in ca. 23u 56min (sterrendag) Zichtbare satellieten en hun azimut/elevatie verandert voortdurend December 13,

7 GPS Ruimtesegment Block II Qualification Vehicle SVN 12 (San Diego Air & Space Museum) December 13,

8 GPS Controlesegment Figuur: US Government December 13,

9 GPS Gebruikerssegment Principe Plaatsbepaling Signalen laten ontvanger toe t = t rx - t sat te bepalen t is niet de werkelijke signaallooptijd maar bevat ook de ontvanger klokfout t r t.c noemen we daarom een pseudo-afstand Gelijktijdig gemeten pseudo-afstanden bevatten zelfde klokfout t r Signalen bevatten navigatiedata waaruit de huidige positie van de satellieten berekend kan worden (efemeriden) Afstand tot 3 bekende punten 3D positie Hier echter: 4 gelijktijdige pseudo-afstanden + efemeriden 3D positie en klokfout t r Pseudo-afstanden moeten ook gecorrigeerd worden voor andere foutbronnen (op basis van modellen, ) December 13,

10 GPS Satellietgeneraties Block I: Niet meer in gebruik Block II/IIA: Enkel Block IIA nog in gebruik Block IIR: ( Replenishment ) Functioneel equivalent met Block IIA Block IIR-M: ( Modernised ) Block IIF: (?) ( Follow-on ) Block IIIA: 3/2017? December 13,

11 Block IIA/IIR Satellieten L1 C/A Open signaal Selective Availability uitgeschakeld 5/2000 LNAV (legacy) navigatieboodschap L1 P(Y) & L2 P(Y) Beveiligde signalen Tracking door niet-geautoriseerde gebruikers Complex (semi-codeless techniek) C/N0 degradatie (ca. 15 db-hz) Vereist gelijktijdig L1 & L2 Kwetsbaar voor interferentie, scintillatie, December 13,

12 Multi-frequency Voordelen km 1000 km L1 L2 Ionosfeer, dispersief medium 70 km 20 km troposfeer December 13,

13 Multi-frequency Voordelen Ionosferische vertraging op frequentie f in meter: I f = TEC 2 f Total Electron Content: vrije elektronen in 1 m² kolom langs signaalpad (el/m²): TEC = Neds, met N e lokale dichtheid (el/m³) pad 1 TECU ( TEC unit ) = el/m² Multi-frequency metingen ionosfeer elimineren als foutenbron L1 C/A + L2 P(Y) semi-codeless blijft kunstgreep December 13,

14 Block IIA Satellieten Levensduur ca. 20 jaar Operationele satellieten: SVN PRN Lanceerdatum /11/ /7/ /10/ /7/1996 December 13,

15 Block IIR Satellieten Levensduur ca. 13 jaar Operationele satellieten: SVN PRN Lanceerdatum SVN PRN Lanceerdatum /11/ /5/ /7/ /1/ /7/ /1/ /3/ /3/ /10/ /6/ /12/ /11/2004 December 13,

16 Block IIR-M Gemoderniseerde Block IIR L1 C/A L1 P(Y) & L2 P(Y) L2C Eerste open signaal in L2 band L1/L2 M-code Sterk beveiligde signalen Signaalstructuur: BOCs(10,5) December 13,

17 L1 Spectrum C/A, P(Y) & M-Code December 13,

18 L2C Signaal Eerste open signaal in L2 band Tracking onafhankelijk, eenvoudig, zonder degradatie Dual-frequency ionosfeer compensatie Alleenstaand gebruik ook mogelijk Code rate zoals L1 C/A (1.023 Mcps) Codes met betere correlatie-eigenschappen dan L1 C/A (ca. 25 db hogere separatie) Piloot- (CL) en datacomponent (CM) Convolutionele codering van data (FEC) December 13,

19 L2C Signaal Acquisitie en tracking bij lagere C/N0 Tracking robuuster (geen 180 ambiguïteit op pilootkanaal) Datadecodering bij lagere C/N0 Code- en fasemetingen zonder datadecodering (bepaling tijdstempel) Cruciale parameters sneller decodeerbaar Robuuster tegen interferentie (langere codes) December 13,

20 L2C Signaal CNAV CNAV navigatieboodschap Flexibel, uitbreidbaar, pakket-gebaseerd Convolutionele codering (FEC), 50 sps Extra resolutie en informatie (t.o.v. LNAV) Ondersteunt 63 satellieten, GGTO, ISCs, Non-dummy sinds 4/2014 Slechts ca. 2 data uploads per week Vanaf 12/2014: dagelijkse uploads? Healthy maar pre-operational December 13,

21 L2C Signaal CNAV Figuur: USAF GPSW December 13,

22 Block IIR-M Levensduur ca. 8 jaar Operationele satellieten: SVN PRN Lanceerdatum SVN PRN Lanceerdatum /3/ /9/ /3/ /10/ /8/ /12/ /9/ /11/2006 L2C reeds beschikbaar sinds 2005 December 13,

23 IIR-M #7 SVN 49 IIR-M met bijkomende aanpassing: Toevoeging L5 testsignaal (demo) voor ITU frequentiereservatie Echter: Onbedoelde signaalreflecties in satellietelektronica Elevatie-afhankelijke bias op L1 en L2 metingen Reserve status December 13,

24 IIR-M #7 SVN 49 Kabel ca. 4.11m L5 Filter Figuur: USAF GPSW December 13,

25 Block IIF Satellieten L1 C/A L1 P(Y) & L2 P(Y) L2C L1/L2 M-code L5 Open signaal triple-frequency verwerking met open signalen (TCAR,...) ARNS band (aeronautical radio navigation service) Ontwikkeld voor safety-of-life applicaties December 13,

26 L5 Signaal Mcps code rate Secundaire codes Identiek aan Galileo E5a (behalve navigatiedata) Piloot- en datacomponent CNAV navigatieboodschap, 100 sps Voordelen zoals L2C Hoger vermogen dan L1 C/A en L2C Uitstekende multipath eigenschappen In beschermde band Grote bandbreedte vereist Unhealthy, pre-operational December 13,

27 Eerste L5 Signaal 16/4/2009, SVN49 December 13,

28 Block IIF Operationele satellieten: SVN PRN Lanceerdatum SVN PRN Lanceerdatum /5/ /5/ /7/ /5/ /2/ /8/ /10/ /10/2014 Meeste lanceringen in één jaar sinds 1993 Nog 4 klaar voor lancering 3/2015, 6/2015, 9/2015, 1/2016 December 13,

29 L1 C/A User Range Error Evolutie Figuur: USAF December 13,

30 Block IIIA Satellieten L1 C/A L1 P(Y) & L2 P(Y) L1C Vierde open signaal, in L1 band L2C L1/L2 M-code L5 Acht besteld, eerste vier in productie Eerste lancering: 3/2017? December 13,

31 L1C Signaal MBOC signaalstructuur Combinatie van BOC(1,1) en BOC(6,1) TMBOC (time-multiplexed BOC) Spectraal identiek aan Galileo L1 CBOC (Composite BOC): interoperable Secundaire codes Piloot- en datacomponent (piloot 75%) CNAV-2 navigatieboodschap, 100 sps Voordelen zoals L2C Betere multipath eigenschappen dan L1 C/A Tracking mogelijk in BOC(1,1)-mode en kleinere bandbreedte (met lagere performantie) QZSS (Japan) zendt signaal al uit December 13,

32 Grondsegment Evolutie Operational Control Segment (OCS) Legacy Accuracy Improvement Initiative (L-AII): 10 NGA sites (2008) Architecture Evolution Plan (AEP) (2011) Next Generation OCS (OCX), Block 0-2 Commando & controle IIA, IIR(-M), IIF, IIIA Monitoring van alle signalen Achter op schema December 13,

33 Overzicht Huidige en Toekomstige GPS Signalen Block L1 C/A L1 P(Y) L2 P(Y) L2C L5 L1C IIA/IIR IIR-M IIF IIF 1/ IIIA 1 e in 2017? Totaal 1/ (35) 31 (35) 31 (35) Opmerking: L1/L2 P(Y) slechts gegarandeerd tot 12/2020 December 13,

34 Synthese Tot voor kort: 1 open signaal in 1 band Sinds 2005: 2 e open signaal (L2C) Sinds 2010: 3 e open signaal (L5) Dual-frequency ionosfeer-eliminatie gemakkelijker Triple-frequency combinaties (TCAR, ) mogelijk Nieuwe signalen performanter en robuuster Single-frequency L2C/L5 wanneer CNAV operationeel Later: L1C als opvolger van L1 C/A GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou: evolutie naar identieke (of zeer gelijkaardige) signalen in álle GNSS banden Multi-constellation multi-frequency wordt steeds belangrijker Septentrio ondersteunt alle systemen en signalen December 13,

35 Septentrio Satellite Navigation Leuven, Belgium +32 (0) Tom Willems Torrance, California +1 (888) Follow us