GPS Status en Evolutie
-
Upload
hydrographic-society-benelux -
Category
Technology
-
view
493 -
download
3
Transcript of GPS Status en Evolutie
GPS Status en Evolutie Huidige en Toekomstige Signalen
Tom Willems 12/12/2014, Haarlem
© 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
© 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
© 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
© 2
014
Sep
tent
rio
Sat
ellit
e N
avig
atio
n
GPS Segmenten
December 13, 2014 5
Figuur: US Government
© 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
© 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)
© 2
014
Sep
tent
rio
Sat
ellit
e N
avig
atio
n
GPS Controlesegment
December 13, 2014 8
Figuur: US Government
© 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
© 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
© 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
© 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
© 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
© 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:
© 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
© 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
© 2
014
Sep
tent
rio
Sat
ellit
e N
avig
atio
n
L1 Spectrum – C/A, P(Y) & M-Code
December 13, 2014 17
© 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
© 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
© 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
© 2
014
Sep
tent
rio
Sat
ellit
e N
avig
atio
n
L2C Signaal – CNAV
December 13, 2014 21
Figuur: USAF GPSW
© 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
© 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
© 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
© 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
© 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
© 2
014
Sep
tent
rio
Sat
ellit
e N
avig
atio
n
Eerste L5 Signaal 16/4/2009, SVN49
December 13, 2014 27
© 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
© 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
© 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
© 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
© 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
© 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
© 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
[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