GPS Status en Evolutie

35
GPS Status en Evolutie Huidige en Toekomstige Signalen Tom Willems 12/12/2014, Haarlem

Transcript of GPS Status en Evolutie

Page 1: GPS Status en Evolutie

GPS Status en Evolutie Huidige en Toekomstige Signalen

Tom Willems 12/12/2014, Haarlem

Page 2: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

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, 2014 2

Page 3: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

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 3 SEPTENTRIO IN CONFIDENCE

Page 4: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

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, 2014 4

Page 5: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

GPS Segmenten

December 13, 2014 5

Figuur: US Government

Page 6: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

GPS Ruimtesegment

30 operationele satellieten, 5+ reserve MEO baan ca. 20200 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, 2014 6

Page 7: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

GPS Ruimtesegment

December 13, 2014 7

Block II Qualification Vehicle – SVN 12 (San Diego Air & Space Museum)

Page 8: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

GPS Controlesegment

December 13, 2014 8

Figuur: US Government

Page 9: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

GPS Gebruikerssegment – Principe Plaatsbepaling Signalen laten ontvanger toe ∆t = trx - tsat te bepalen ∆t is niet de werkelijke signaallooptijd maar bevat ook de

ontvanger klokfout ∆tr ∆t.c noemen we daarom een pseudo-afstand Gelijktijdig gemeten pseudo-afstanden bevatten zelfde klokfout

∆tr

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 ∆tr

Pseudo-afstanden moeten ook gecorrigeerd worden voor andere foutbronnen (op basis van modellen,…)

December 13, 2014 9

Page 10: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

GPS Satellietgeneraties

Block I: 1978 - 1985 Niet meer in gebruik

Block II/IIA: 1990 - 1997 Enkel Block IIA nog in gebruik

Block IIR: 1997 - 2004 (‘Replenishment’) Functioneel equivalent met Block IIA

Block IIR-M: 2005 - 2009 (‘Modernised’) Block IIF: 2010 - 2016(?) (‘Follow-on’) Block IIIA: 3/2017?

December 13, 2014 10

Page 11: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

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, 2014 11

Page 12: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

Multi-frequency Voordelen

December 13, 2014 12

troposfeer

20 km

70 km

1000 km Ionosfeer,

dispersief medium

20200 km

L1 L2

Page 13: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

Ionosferische vertraging op frequentie f in meter: Total Electron Content: vrije elektronen in 1

m² kolom langs signaalpad (el/m²): , met Ne lokale dichtheid (el/m³) 1 TECU (‘TEC unit’) = 1016 el/m²

Multi-frequency metingen → ionosfeer

elimineren als foutenbron L1 C/A + L2 P(Y) semi-codeless blijft

kunstgreep

Multi-frequency Voordelen

December 13, 2014 13

TEC30.402f

I f =

dsNpad e∫=TEC

Page 14: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

Block IIA Satellieten

December 13, 2014 14

SVN PRN Lanceerdatum

23 32 26/11/1990

26 26 7/7/1992

34 4 26/10/1993

40 10 16/7/1996

Levensduur ca. 20 jaar Operationele satellieten:

Page 15: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

Block IIR Satellieten

Levensduur ca. 13 jaar Operationele satellieten:

December 13, 2014 15

SVN PRN Lanceerdatum SVN PRN Lanceerdatum

41 14 10/11/2000 51 20 11/5/2000

43 13 23/7/1997 54 18 30/1/2001

44 28 16/7/2000 56 16 29/1/2003

45 21 31/3/2003 59 19 20/3/2004

46 11 7/10/1999 60 23 23/6/2004

47 22 21/12/2003 61 2 6/11/2004

Page 16: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

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, 2014 16

Page 17: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

L1 Spectrum – C/A, P(Y) & M-Code

December 13, 2014 17

Page 18: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

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)

L2C Signaal

December 13, 2014 18

Page 19: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

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)

L2C Signaal

December 13, 2014 19

Page 20: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

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, 2014 20

Page 21: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

L2C Signaal – CNAV

December 13, 2014 21

Figuur: USAF GPSW

Page 22: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

Block IIR-M

Levensduur ca. 8 jaar Operationele satellieten:

L2C reeds beschikbaar sinds 2005

December 13, 2014 22

SVN PRN Lanceerdatum SVN PRN Lanceerdatum

48 7 15/3/2008 53 17 26/9/2005

49 - 24/3/2009 55 15 17/10/2007

50 5 17/8/2009 57 29 20/12/2007

52 31 25/9/2006 58 12 17/11/2006

Page 23: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

IIR-M #7 – SVN 49

IIR-M met bijkomende aanpassing: Toevoeging L5 testsignaal (demo) voor ITU

frequentiereservatie Echter: Onbedoelde signaalreflecties in satelliet-

elektronica Elevatie-afhankelijke bias op L1 en L2

metingen ‘Reserve’ status…

December 13, 2014 23

Page 24: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

IIR-M #7 – SVN 49

December 13, 2014 24

Figuur: USAF GPSW

L5 Filter Kabel ca. 4.11m

Page 25: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

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, 2014 25

Page 26: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

L5 Signaal

10.23 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, 2014 26

Page 27: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

Eerste L5 Signaal 16/4/2009, SVN49

December 13, 2014 27

Page 28: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

Block IIF

Operationele satellieten: Meeste lanceringen in één jaar sinds 1993 Nog 4 klaar voor lancering 3/2015, 6/2015, 9/2015, 1/2016

December 13, 2014 28

SVN PRN Lanceerdatum SVN PRN Lanceerdatum

62 25 28/5/2010 66 27 15/5/2013

63 1 16/7/2011 67 6 17/5/2014

64 30 21/2/2014 68 9 1/8/2014

65 24 4/10/2012 69 3 29/10/2014

Page 29: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

L1 C/A – User Range Error Evolutie

December 13, 2014 29

Figuur: USAF

Page 30: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

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, 2014 30

Page 31: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

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, 2014 31

Page 32: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

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, 2014 32

Page 33: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

Overzicht Huidige en Toekomstige GPS Signalen

December 13, 2014 33

Block L1 C/A L1 P(Y) L2 P(Y)

L2C L5 L1C

IIA/IIR 16 16 16 - - -

IIR-M 7 7 7 7 - -

IIF 7 7 7 7 7 -

IIF 1/2016 12 12 12 12 12 -

IIIA

1e in 2017?

Totaal 1/2016 31 (35) 31 (35) 31 (35) 19 19 0

Opmerking: L1/L2 P(Y) slechts gegarandeerd tot 12/2020

Page 34: GPS Status en Evolutie

© 2

014

Sep

tent

rio

Sat

ellit

e N

avig

atio

n

Synthese

Tot voor kort: 1 open signaal in 1 band Sinds 2005: 2e open signaal (L2C) Sinds 2010: 3e 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, 2014 34

Page 35: GPS Status en Evolutie

[email protected] | www.septentrio.com | @septentrio

Septentrio Satellite Navigation Leuven, Belgium +32 (0)16 300 800

Torrance, California +1 (888) 655-9998

Follow us

Tom Willems