CORSO DI ELETTRONICA DELLE TELECOMUNICAZIONI. Il sistema GPS

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1 CORSO DI ELETTRONICA DELLE TELECOMUNICAZIONI Il sistema GPS G. Lullo A. A

2 Il sistema GPS NAVigation System with Timing And Ranging Global Positioning System NAVSTAR-GPS Caratteristiche del sistema: - Sistema basato sul tempo di volo di segnali radio a circa 1,5 GHz. - Consente la determinazione della posizione (3-D) e del tempo. - Copertura mondiale con utilizzo in terra, mare, cielo. - Operatività in ogni condizione di tempo metereologico. - Funziona sia con ricevitore fermo (trekking), sia in movimento ad alta velocità (aerei militari). - Abilitato agli usi militari (hi-res. < 1m) e civili (low res m).

3 Costituito da tre sottosistemi: Space segment Control segment User segment Il sistema GPS

4 GPS Space segment Costellazione di satelliti: 24 satelliti (Space Vehicles o SV). 6 piani orbitali (inclinazione 55 rispetto l equatore). 4 satelliti in ogni piano. Ridondanza: fino a 28 satelliti, fino a 5 per piano km di altezza (periodo di rivoluzione 12 ore). Velocità km/h. Da ogni punto della Terra sono sempre visibili almeno 4 satelliti.

5 GPS Space segment Caratterisiche dei satelliti: Fabbricati da Rockwell International, di recente da Lockheed M&S. Peso in orbita: 1000kg. Dimensioni: 2 m (7 m pannelli incl.). Vita media: 7 10 anni. Fino a 4 orologi atomici al cesio o al rubidio (errore: 1 sec./30k-1m anni). Trasmettono su due frequenze: L1 (1575,42MHz) e L2 (1227,60MHz). Potenza trasmessa < 50W

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7 GPS Control segment Master Control Station Monitor Station Ground Antenna Compiti del Control segment: Osservare i movimeni dei satelliti e calcolare le loro orbite. Monitorare gli orologi dei satelliti e sincronizzarli. Ritrasmettere i dati orbitali di ogni satellite (effemeridi). Ritrasmettere i dati orbitali di tutti i satelliti (almanacco). Ritrasmettere ulteriori informazioni sullo stato di salute dei satelliti, sui loro errori di clock, sulla propagazione ionosferica, ecc. Effettuare la distorsione artificiale del segnale (SA, Selective Availability), per degradare l accuratezza di posizione negli usi civili.

8 GPS User segment Il costo del ricevitore è legato a: Tipo di antenna (patch, esterna, ecc.) Stabilità del clock Memoria disponibile Software (incluse mappe) Funzioni accessorie (WAAS, A-GPS, ecc.) Moduli O.E.M con antenne patch. $30 - $100, 10 m accuracy Mapping grade $ $ accur. <1 m Antenna elicoidale Recreational $100 - $ m accuracy

9 GPS Principio di funzionamento Si basa sulla misurazione del tempo di volo t che il segnale RF impiega a percorrere la distanza satellite-ricevitore. Se gli orologi del satellite e del ricevitore sono sincronizzati, si può misurare questo tempo t. t > 67,3 ms (satellite allo zenith del ricevitore) + 3,33 µs/km. Nota la velocità della luce (c = 3 x 10 5 km/s), la distanza è: D = c t

10 GPS Principio di funzionamento Se si conosce solo la distanza D da un satellite, il ricevitore può trovarsi in un punto qualsiasi della sfera di raggio D centrata sul satellite. Se sono note le distanze D 1 e D 2 da due satelliti, il ricevitore può trovarsi in un punto qualsiasi della circonferenza intersezione. Se sono note le distanze D 1, D 2 e D 3 da tre satelliti, il ricevitore può trovarsi in uno dei due punti ottenuti come intersezione. Quindi bisogna conoscere le distanze del ricevitore da quattro satelliti!

11 GPS Principio di funzionamento I quattro satelliti sono perfettamente sincronizzati (orologi atomici). Il ricevitore GPS invece, per ragioni di costo, usa un semplice orologio al quarzo per cui conosce il tempo assoluto con un errore t 0. La distanza stimata dal satellite i-esimo (pseudorange) sarà allora: PSR i = D i + c t 0

12 GPS Principio di funzionamento Ogni satellite trasmette inoltre i dati sulla sua orbita (effemeridi), per cui è possibile calcolarne la posizione istantanea (X Sat_i, Y Sat_i e Z Sat_i ). A partire dallo pseudorange misurato, per ogni satellite si scrive una relazione: Ponendo a sistema le quattro relazioni non-lineari, si ricavano le quattro incognite X User, Y User, Z User e t 0.

13 GPS Segnali trasmessi Tutti i satelliti trasmettono su due sole frequenze: L1 (1575,42MHz) ed L2 (1227,60MHz). Trasmissione in CDMA spread spectrum (Code Division Multiple Access) Sono trasmessi due tipi di codice: C/A Code (Coarse/Acquisition code usi civili) P-Code (Precision code usi militari) I dati trasmessi sono relativi a: - ora esatta del satellite ed eventuali correzioni; - dati orbitali precisi del satellite (effemeridi); - dati orbitali approssimati di tutti i satelliti (almanacco); - stato di salute del satellite; - dati sulla propagazione ionosferica. Potenza trasmessa +43.4dBm (21.9W). Potenza ricevuta -130dBm, corrispondente a una densità spettrale di -190 dbm/hz, al di sotto del rumore termico ( K).

14 GPS Segnali trasmessi C/A Code Ogni satellite trasmette un proprio codice identificativo pseudorandom (PRN) di 1023 bit (chips), emessi a 1,023 Mbps. PRN code 1023 chips (1ms) 1 chip Il codice è ripetuto 20 volte. Questo gruppo, che dura 20 ms, costituisce un bit di informazione (dato). PRN PRN PRN PRN 20 codes (20ms) PRN La polarità dei chips è cambiata a seconda del dato da trasmettere (0/1). I dati sono trasmessi a 50 bit/sec. Per trasmettere tutte le informazioni prima elencate sono necessari 12,5 minuti. Data Bits* bps (20ms/bit) *PRN code inverts to signify bit transition (0/1)

15 Trasmettitore GPS La modulazione Binary Phase Shift Keying della portante con uno stream di dati a 1,023 Mbps genera un segnale a spettro esteso (spread spectrum).

16 GPS Ricezione del segnale Al ricevitore GPS giungono contemporaneamente i segnali di più satelliti, tutti alla stessa frequenza e con un livello inferiore alla soglia del rumore termico. Per estrarre il segnale di un satellite si può cercare il codice pseudorandom ad esso associato. Questa operazione viene effettuata con un processo di cross-correlazione, calcolando il Fattore di Correlazione.

17 GPS Ricezione del segnale Tuttavia, quando il ricevitore GPS viene acceso per la prima volta (cold start), non conosce: dove si trova; quali e quanti satelliti sta ricevendo; qual è la loro velocità relativa (shift Doppler di frequenza, max ±6kHz). Viene allore effettuata una ricerca in uno spazio bidimensionale, per vari codici pseudorandom e per diversi possibili shift di frequenza. Nel processo di demodulazione e despreading effettuato dalla crosscorrelazione si ottiene un guadagno: veloc. chips C/A-Code 1,023 Mbps G = = veloc. dati 50 bps = = 43dB

18 Ricevitore GPS

19 Il messaggio GPS

20 Protocollo NMEA-0183 Elaborato dalla National Marine Electronics Association, è lo standard de-facto per tutte le comunicazioni tra apparecchiature elettroniche per la navigazione marina: GPS, LORAN, sensori di velocità vento/mare, autopiloti. ecc. E generato da quasi tutti i ricevitori GPS. Usa una porta seriale standard (RS-232C) a 4800baud, 8bit, N, 1. Protocollo basato su caratteri ASCII, valori delimitati da virgole. Alcune stringhe NMEA per GPS: $GPGGA GPS fix data message (lat, lon, time, #SVs, etc) $GPGGL Geographic position (lat, lon, time) $GPGSA GPS DOP and active satellites (SVs, P,H,VDOP) $GPGSV GPS satellites in view (SV elevation/azimuth, SNR, etc) $GPVTG GPS velocity and heading $GPZDA Time & Date message Esempio:

21 Cause di errore Errori nei clock dei satelliti ed in quello del ricevitore. I primi vengono corretti dall Ente di controllo. I secondi sono minimizzati dal ricevitore quando si aggancia correttamente ai segnali. Propagazione ionosferica. C è un ritardo nel tempo di ricezione che dipende dall elevazione del satellite sull orizzonte, dallo stato di ionizzazione (ora del giorno, macchie solari), dall umidità atmosferica. Può essere corretto conoscendo la velocità media, oppure se si misura il tempo relativo di propagazione tra le due frequenze L1 ed L2.

22 Cause di errore Propagazione multipath. Il ricevitore riceve echi multipli da vari riflettori. Ciò degrada la qualità del segnale e può far calcolare un errato tempo di volo. Nelle città è pure presente il fenomeno del canyoning ( gole tra i palazzi). Si può combattere con antenne Choke-Ring. Selective Availability. Eliminata a maggio 2000, ripristinabile all occorrenza anche su aree limitate.

23 Cause di errore Geometric Dilution of Precision (GDOP). E maggiore quando i satelliti che si ricevono sono vicini tra di loro. L area di incertezza nel posizionamento si allarga. Si riduce ricevendo ed elaborando i dati, se possibile, di più satelliti (anche 8 o 12!)

24 Differential GPS Una stazione fissa riceve i segnali e calcola l errore di posizione. La stazione fissa invia gli errori misurati ai ricevitori GPS nell area. I ricevitori correggono i dati calcolati con gli errori ricevuti.

25 Assisted-GPS

26 La posizione determinata dal GPS è legata al: - sistema di coordinate terrestri scelto (latitud./longitud. o cartesiano); - forma ideale della Terra (altezza dal suolo). Ma qual è la forma della Terra? - Sfera - Ellissoide - Geoide Aspetti Geodetici Si possono scegliere varie dimensioni per l ellissoide, valide globalmente o localmente, oppure definire un geoide fornendo le correzioni rispetto ad un modello. Si sceglie così il cosiddetto Datum. Tra i Datum più usati l ellissoide WGS-84 (World Geodetic System 1984).