Sistema GPS

Global Positioning System
•E’ un sistema di navigazione satellitare
•E’ stato realizzato ed è controllato dal
Dipartimenta della Difesa degli Stati Uniti
d’America. La nascita di questo sistema è legata
ad esigenze prettamente militari.
•Il GPS genera segnali opportunamente codificati
che possono essere elaborati in un ricevitore
GPS in modo tale da fornire dati per il calcolo di
posizione, velocità e tempo.
La trilaterazione
Le posizioni sono determinate combinando le
distanze tra i satelliti GPS ed il ricevitore.
Questa tecnica è tradizionalmente chiamata
trilaterazione
1
Il segmento spaziale:
costellazione dei Satelliti GPS
Il segmento spaziale (2):
i Satelliti GPS
• I primi satelliti sono stati
lanciati nello spazio nel 1978
• La costellazione completa di
24 satelliti è stata realizzata
nel 1994
• Il tempo di vita di ogni
satellite è di 10 anni
• La velocità dei satelliti è di
7000
miglia/ora,
che
consente un’orbita completa
ogni 12 ore
2
Il segmento di controllo (1)
Il Segmento di Controllo consiste di un
sistema di stazioni a terra posizionate in
tutto il mondo che inseguono i satelliti
Determinazione di posizione e tempo (1)
• Ogni satellite trasmette un segnale che
contiene informazioni di identificazione, di
posizione corrente e dell’istante temporale
di trasmissione del messaggio
• Le
effemeridi
dei
opportunamente tabulate
satelliti
sono
3
Determinazione di posizione e tempo (2)
• Il ricevitore elabora il segnale dei satelliti,
e determina il tempo impiegato per
percorrere il tratto satellite-ricevitore
Determinazione di posizione e tempo (3)
• Sulla base del ritardo di propagazione viene
determinata la distanza ricevitore-satellite
• Importanza della conoscenza della base
temporale
• Il clock interno al ricevitore ha una sua
precisione (costi contenuti) che condiziona
le prestazioni: la ricezione del quarto
satellite è necessaria per correggere
l’errore introdotto dal clock interno
4
Determinazione di posizione e tempo (4)
• Il GPS necessita quindi di una base
temporale di elevata precisione
• Questo riferimento temporale viene usato
da altri sistemi di telecomunicazione (SDH)
come clock di riferimento
Determinazione di posizione e tempo (5)
E’ necessario ricevere i segnali da almeno
quattro satelliti GPS
5
Calcolo della posizione (1):
intersezione di due sfere
Calcolo della posizione (2):
intersezione di tre sfere
6
Determinazione della latitudine e
longitudine
La precisione
Ci sono differenti livelli di precisione:
• PPS Precise Positioning Service (per utenti
autorizzati)
• SPS Standard Positioning Service (per usi
civili) con precisione intenzionalmente
degradata (Selective Availability) ma che è
stata abolita dal 1 Maggio 2000
• Differential Code GPS
• Differential Carrier GPS
7
Il segnale GPS (1)
I satelliti trasmettono su due frequenze:
• L1 – 1574,42 MHz
• L2 – 1227,60 MHz
Potenza in trasmissione 20 – 50 W
Tecnologia Spread Spectrum
Il segnale GPS (2)
Due codici PseudoRandom modulano le due
portanti L1 ed L2:
• C/A code (Coarse Acquisition) modula la
portante L1. Periodo 1023 bit, 1 ms. Individua
il satellite
• P code (Precise) modula L1 ed L2. Periodo 7
giorni. E’ la base per il PPS
NAV/SYSTEM Data descrive le orbite dei
satelliti, la correzione del clock ed altri
parametri di sistema
8
Generazione del segnale GPS
Il ricevitore GPS
9
Cause di errore nella
determinazione della posizione (1):
noise and bias
Cause di errore nella
determinazione della posizione (2):
Geometric Diluition of Precision
10
Cause di errore nella
determinazione della posizione (3):
Geometric Diluition of Precision
Ulteriori cause di errore nella
determinazione della posizione
• Cammini multipli, effetto della
propagazione
attraverso
l’atmosfera (il segnala giunge al
ricevitore
seguendo
una
pluralità di cammini)
• Ritardo di propagazione dovuto
agli
effetti
atmosferici
(dipendenza
dell’indice
di
rifrazione
da
temperatura,
pressione e umidità)
11
Differential GPS
• Riduzione dell’errore di determinazione della
posizione
• Utilizzo di una stazione ricevente in posizione
nota
• Calcolo della posizione e confronto con la
posizione nota
• Trasmissione via radio dei parametri di
correzione
• I terminali GPS mobili, dotati di ricevitore
radio, correggono l’informazione di posizione
sulla base dei parametri di correzione
Differential Code GPS (1)
Parametri di correzione determinati sulla misura delle
pseudodistanze. Precisione metrica
Problema: non è in generale verificato che la stazione
di riferimento ed il ricevitore vedano gli stessi
satelliti
12
Differential Carrier GPS (1)
• La distanza satellite-ricevitore può essere
determinata anche attraverso una misura della
fase della portante a radiofrequenza ricevuta
• Si
ottengono
precisioni
dell’ordine del centimetro
molto
elevate,
• Questa tecnica richiede la presenza di due
stazioni di riferimento
• Possono essere adottate diverse soluzioni
Ricezione GPS
• Chip Motorola
• 8 mm x 8 mm
13
Terminali GPS
Palmare
Da pannello
Cartografico
14
Global Positioning System Fix Data (GGA)
$GPGGA,<1 >,<2>;<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11 >,<12>
<1 > UTC time of position fix, hh mm ss format
<2> Latitude, dd mm.mm mm format (leading zeros will be transmitted)
<3> Latitude hemisphere, N or S
<4> Longitude, ddd mm.mm mm format (leading zeros will be transmitted)
<5> Longitude hemisphere, E or W
<6> GPS quality indication, O = fix not available, 1 =Non-differential GPS
fix available, 2 = Differential GPS (DGPS) fix available
<7> Number of satellites in use, 00 to 12 (leading zeros will be
transmitted)
<8> Horizontal dilution of precision, 1.0 to 99.9
<9> Antenna height above/below mean sea levei, -9999.9 to 99999.9
meters
<10> Geoidal height, -999.9 to 9999.9 meters
<11 > Differential GPS (RTCM-SC104) data age, number of seconds since
last valid RTCM transmission (nuli if non-DGPS)
<12> Differential Reference Station ID, 0000 to 1023 (leading zeros will
be transmitted, nuli if non-DGPS)
GPS Satellites in View (GSV)
$GPGSV,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,...<4>,<5>,<6>,<7>
<1 > Total number of GSV sentences to be transmitted
<2> Number of current GSV sentence
<3> Total number of satellites in view, 00 to 12 (leading zeros will be
transmitted)
<4> Satellite PRN number, 01 to 32 (leading zeros will be transmitted)
<5> Satellite elevation, 00 to 90 degrees (leading zeros will be
transmitted)
<6> Satellite azimuth,000to 359 degrees, true (leading zeros will be
transmitted)
<7> Signal to noise ratio (C/No) 00 to 99 dB, null when not tracking
(leading zeros will be transmitted)
NOTE: Items <4>,<5>,<6> and <7> repeat for each satellite in view to a
maximum of four (4) satellites per sentence. Additional satellites in view
information must be sent in subsequent sentences. These fields will be
null if unused.
15
Galileo
GALILEO Final Space Segment

Walker 27/3/1
+3 Active Spares



Inclination 56
29600.318 km Radii
Period 14hr 4m 42s
Ground
Track
10 days /17 Orbits

Repeat
2 Rubidium, 2 PHM
Image: ESA
16
Galileo, a Set of Services
SAR
Navigation
Open Service
Free service; Mass market;
Encrypted; sub metric accuracy
Commercial
(dedicated signals in E6 band);
Guaranteed service-data via Internet
Safety of Life
Open Service + Integrity and
Authentication of signal.
Guaranteed service
Public Regulated
Encrypted; Integrity;
Continuous availability
Search and Rescue
Near real-time; Precise; Return
link feasible
Galileo, a Set of Services
17
Galileo, a Set of Services
Open Access Service


E5a E5b
E6
L1

Open and Safety of Life Services
Public Regulated Service

Mass market applications
Multi - Frequency
Interoperability with other GNSS
systems (dual receivers) and their
evolutions
Free of charge
Commercial Service
1 frequency
2 frequencies
Horizontal Positioning (95%) 15 [m]
4 [m]
Vertical Positioning (95%)
35 [m]
8 [m]
Velocity (95%)
0.5 [m/sec]
0.2 [m/sec]
Timing with respect to UTC
30 [nsec]
30 [nsec]
Global availability
99.8 %
99.8%
18
Safety-of-Life Mission Level
Requirements

Galileo supports operations employing Integrity
Risk & Alert Limit Concepts (Designed with respect
to ICAO & IMO Requirement)
Level A: - aviation approach, rail and road applications.
Level B: - aviation operations en-route to NPA
Level C: - maritime operations.
Safety of Life Service


Galileo provides Global
Integrity Monitoring
Real-Time
Safety-of-Life (SoL) - For transport
applications where lives could be lost if the
performance of the navigation system is degraded
without real-time notification.





Service Will Increase Safety, especially in
the absence of traditional ground
infrastructure.
Service Guarantee by Galileo Operating
Company.
Safety/Business Critical Applications
Additional Regional Integrity Provision
Signal Authentication
19
Signal Authentication Concept
Public Regulated Service

Encrypted
Access restricted to authorised users
Service Denial Capability

Integrity
Quick Alarm in case of malfunction

Horizontal Positioning (95%)
6.5 [m]
Vertical Positioning (95%)
12 [m]
Continuity Risks
10-5/15
Velocity accuracy
20 [cm/sec]
Global availability
99.5%
Continuous Availability
even in crisis times
2 frequencies

Spectrally Separate Signals
Improved service robustness
[sec]

Governmental Applications
Police, Civil Protection, Emergency,
etc.
20
Commercial Service



Based on the open service standard
Provisions
Additional commercial encrypted data
Added value services (higher accuracy,
data broadcast, authentication) with
respect to the open service

Three-Carrier-Ambiguity Resolution

Service guarantees

Access through external Service Providers
Galileo Search & Rescue







COSPAS-SARSAT
cooperative
effort
on
Humanitarian
Search
and Rescue Activities
Fulfil IMO & ICAO
Requirements
Backwards Compatible
Global Near Real-Time
Reception
Multiple
Satellite
Detection + LEOSAR +
GEOSAR
406 MHz
New - Return Link 15441545 MHz
21
GPS & Galileo
Galileo/GPS Frequency Bands
22
Galileo
• Le frequenze usate dai satelliti vanno da 1,1 a 1,6 GHz, un
intervallo di banda particolarmente adeguato per i servizi
di comunicazione e di navigazione.
• Ognuno dei satelliti Galileo trasmetterà 10 diversi segnali
di navigazione, mettendo Galileo in condizione di offrire
servizi aperti (OS), di sicurezza (SOL), commerciali (CS)
e regolamentati da istituzioni pubbliche (PRS).
• Galileo avrà anche un segnale di ‘integrità’, per assicurare
la qualità dei segnali ricevuti.
• Il segnale di Galileo garantisce un’accuratezza che può
spingersi fino a un 1 metro, con servizi a valore aggiunto
per i quali si potrà raggiungere in tempo reale
un’accuratezza di soli 10 centimetri.
Galileo Signals in Space

10 Navigation Signals - Right Hand Circularly Polarised
OS/SOL Alt-BOC(15,10)
Data + Pilot
E5a -155
dBW
E5b-155
dBW
CS BPSK(5)
Data + Pilot
OS/SOL BOC(1,1)*
Data + Pilot
PRS BOCcos(10,5)
PRS BOCcos(15,2.5)
E6
-152
dBW
L1
E2
Commercial Service (CS)
Open Service (OS)
Public Regulated Service (PRS)
Safety Of Life Service (SOL)
-152
dBW
E1
* BOC(1,1) or Optimised CBCS
23
Binary Offset Carrier (BOC) modulation is a square sub-carrier, where a signal is multiplied by a
rectangular sub-carrier of frequency equal or higher to the chip (CDMA) rate. The spectrum of the
signal is divided into two parts, therefore BOC modulation is also known as a split-spectrum modulation.
The main idea behind BOC modulation is to reduce the interference with BPSK-modulated signal, which
has a sinc function shaped spectrum. Therefore, BPSK-modulated signals such as C/A GPS codes have
most of their spectral energy concentrated around the carrier frequency, while BOC-modulated signals
(used in Galileo system) have low energy around the carrier frequency and two main spectral lobes
further away from the carrier.

Bi-Phase Shift Keying (BPSK) Modulation
BPSK(5)
BPSK(k) – Pseudorandom Code Rate of k1.023
MHz
Pseudorandom
Code

Binary Offset Carrier (BOC) Modulation
Each Pseudorandom Chip Multiplied by Binary Carrier
BOC(k,j) – Binary Carrier Frequency of j1.023 MHz
Cosine Carrier
BOCcos(m,m)
BOCcos(15,2.5
BOC(1,1)
)
BOC(10,5)
Binary
Carrier
Sine Carrier
BOC(m,m)
Note: data signals additionally multiplied by binary data stream
Message Structure

......
Superframe (1)
Frame (1)
Frame (2)
......
Frame (i)
......
Frame (N)
Forward
Error
Correction, Rate ½
Convolutional Encoded
– Symbol Rate is twice
Data Rate
Frame (1)

Subframe (1) Subframe (2)
.....
Subframe (j)
.....

Data Field
CRC
Tail Bits
CRC
Cyclic
Redundancy
Check – checks parity
for data errors

FEC Encoded & Block Interleaved
UW
Unique
Word
to
Synchronise with Data
Fields
Subframe
(M)
UW
FEC
Block Interleaving
After
convolutional
encoding excluding UW
24
GNSS Signal Interoperability

GPS and Galileo
Adoption of a common basis for Galileo L1 and GPS III L1
open signals: BOC(1,1).
Adoption of interoperable timing and geodesy standards to
facilitate the joint use of Galileo and GPS.
Broadcast of GPS/Galileo time offset.

GLONASS and Galileo
Frequency sharing between Galileo E5B and GLONASS-L3
gives prospect for interoperability of the two systems
Joint broadcasting of GLONASS-K/Galileo time offset is
envisaged

QZSS and Galileo:
Agreement that same signal structure as Galileo E6
Commercial Service is the best solution on compatibility and
interoperability grounds
25