GPS Status en Evolutie

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

©2014SeptentrioSatelliteNavigation
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

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 3SEPTENTRIO IN CONFIDENCE

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
December 13, 2014 5
Figuur: US Government

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
December 13, 2014 7
Block II Qualification Vehicle – SVN 12
(San Diego Air & Space Museum)

GPS Controlesegment
December 13, 2014 8
Figuur: US Government

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,…

Multi-frequency Voordelen
troposfeer
20 km
70 km
1000 km
Ionosfeer,
dispersief medium
20200 km
L1
L2

 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
TEC
30.40
2
f
I f =
dsN
pad
e∫=TEC

Block IIA Satellieten
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:

Block IIR Satellieten
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

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)

L1 Spectrum – C/A, P(Y) & M-Code

 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

 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

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’

L2C Signaal – CNAV
Figuur: USAF GPSW

Block IIR-M
 L2C reeds beschikbaar sinds 2005
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

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…

IIR-M #7 – SVN 49
Figuur: USAF GPSW
L5 Filter
Kabel ca. 4.11m

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

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’

Eerste L5 Signaal 16/4/2009, SVN49

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

L1 C/A – User Range Error Evolutie
Figuur: USAF

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?

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

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

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 -
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

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

info@septentrio.com | www.septentrio.com | @septentrio
Septentrio SatelliteNavigation
Leuven, Belgium
+32 (0)16 300 800
Torrance, California
+1 (888) 655-9998
Follow us
Tom Willems

GPS Status en Evolutie

More Related Content

Viewers also liked

More from Hydrographic Society Benelux

GPS Status en Evolutie