GPS Status en Evolutie

GPS Status en Evolutie

Huidige en Toekomstige Signalen Tom Willems

12/12/2014, Haarlem

Overzicht

© 2014 Septentrio Satellite Navigation

 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

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

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


GPS Segmenten

Figuur: US Government December 13, 2014

5


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


GPS Ruimtesegment

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

December 13, 2014

7


GPS Controlesegment

Figuur: US Government December 13, 2014

8

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

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

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

Multi-frequency Voordelen 20200 km L1 L2 1000 km


Ionosfeer, dispersief medium

70 km troposfeer 20 km December 13, 2014

12

Multi-frequency Voordelen  Ionosferische vertraging op frequentie f in meter: I = 40f.30 TEC  Total Electron Content: vrije elektronen in 1 m² kolom langs signaalpad (el/m²): TEC = ∫ N ds , met N lokale dichtheid (el/m³) e  1 TECU (‘TEC unit’) = 1016 el/m² f


pad

2

e

 Multi-frequency metingen → ionosfeer elimineren als foutenbron  L1 C/A + L2 P(Y) semi-codeless blijft kunstgreep December 13, 2014

13

Block IIA Satellieten


 Levensduur ca. 20 jaar  Operationele satellieten:

December 13, 2014

SVN

PRN

Lanceerdatum

23

32

26/11/1990

26

26

7/7/1992

34

4

26/10/1993

40

10

16/7/1996

14

Block IIR Satellieten  Levensduur ca. 13 jaar  Operationele satellieten:


SVN PRN Lanceerdatum

December 13, 2014

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

15

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


L1 Spectrum – C/A, P(Y) & M-Code

December 13, 2014

17

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, 2014

18


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, 2014

19

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


L2C Signaal – CNAV

Figuur: USAF GPSW December 13, 2014

21

Block IIR-M  Levensduur ca. 8 jaar  Operationele satellieten:



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

 L2C reeds beschikbaar sinds 2005 December 13, 2014

22

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, 2014

23

IIR-M #7 – SVN 49 L5 Filter


Kabel ca. 4.11m

Figuur: USAF GPSW December 13, 2014

24

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


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


Eerste L5 Signaal 16/4/2009, SVN49

December 13, 2014

27

Block IIF  Operationele satellieten:



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

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

December 13, 2014

28


L1 C/A – User Range Error Evolutie

Figuur: USAF December 13, 2014

29

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

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

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


Overzicht Huidige en Toekomstige GPS Signalen 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

1e in 2017?

IIIA Totaal 1/2016

31 (35)

31 (35)

31 (35)

19

19

0

 Opmerking: L1/L2 P(Y) slechts gegarandeerd tot 12/2020 December 13, 2014

33

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

Tom Willems

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

Torrance, California +1 (888) 655-9998

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

Follow us

GPS Status en Evolutie

Recommend Documents