Global Positioning System

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1 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

2 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

3 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 satelliti sono opportunamente tabulate 3

4 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

5 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

6 Calcolo della posizione (1): intersezione di due sfere Calcolo della posizione (2): intersezione di tre sfere 6

7 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

8 Il segnale GPS (1) I satelliti trasmettono su due frequenze: L1 1574,42 MHz L2 1227,60 MHz Potenza in trasmissione 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

9 Generazione del segnale GPS Il ricevitore GPS 9

10 Cause di errore nella determinazione della posizione (1): noise and bias Cause di errore nella determinazione della posizione (2): Geometric Diluition of Precision 10

11 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

12 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

13 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 molto elevate, dell ordine del centimetro 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

14 Palmare Terminali GPS Da pannello Cartografico 14

15 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, to meters <10> Geoidal height, to 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

16 Galileo GALILEO Final Space Segment Walker 27/3/1 +3 Active Spares Inclination km Radii Period 14hr 4m 42s Ground Track Repeat 10 days /17 Orbits 2 Rubidium, 2 PHM Image: ESA 16

17 Galileo, a Set of Services Navigation Open Service Commercial Safety of Life Public Regulated Free service; Mass market; Encrypted; sub metric accuracy (dedicated signals in E6 band); Guaranteed service-data via Internet Open Service + Integrity and Authentication of signal. Guaranteed service Encrypted; Integrity; Continuous availability SAR Search and Rescue Near real-time; Precise; Return link feasible Galileo, a Set of Services 17

18 Galileo, a Set of Services Open Access Service E5a E5b E6 L1 Open and Safety of Life Services Public Regulated Service Commercial Service Mass market applications Multi - Frequency Interoperability with other GNSS systems (dual receivers) and their evolutions Free of charge 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

19 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 Real-Time Integrity Monitoring 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

20 Signal Authentication Concept Public Regulated Service 2 frequencies Horizontal Positioning (95%) 6.5 [m] Vertical Positioning (95%) 12 [m] Continuity Risks 10-5 /15 [sec] Velocity accuracy 20 [cm/sec] Global availability 99.5% Encrypted Access restricted to authorised users Service Denial Capability Integrity Quick Alarm in case of malfunction Continuous Availability even in crisis times Spectrally Separate Signals Improved service robustness Governmental Applications Police, Civil Protection, Emergency, etc. 20

21 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 Requirements & ICAO Backwards Compatible Global Near Reception Real-Time Multiple Satellite Detection + LEOSAR + GEOSAR 406 MHz New - Return Link MHz 21

22 GPS & Galileo Galileo/GPS Frequency Bands 22

23 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 E5a Alt-BOC(15,10) Data + Pilot -155 dbw E5b -155 dbw CS BPSK(5) Data + Pilot PRS BOC cos (10,5) E6-152 dbw OS/SOL BOC(1,1)* Data + Pilot PRS BOC cos (15,2.5) E2-152 L1 dbw E1 Commercial Service (CS) Open Service (OS) Public Regulated Service (PRS) Safety Of Life Service (SOL) *BOC(1,1)orOptimisedCBCS 23

24 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(k) Pseudorandom Code Rate of k1.023 MHz BPSK(5) Pseudorandom Code Binary Offset Carrier (BOC) Modulation Each Pseudorandom Chip Multiplied by Binary Carrier BOC(k,j) Binary Carrier Frequency of j1.023 MHz Sine Carrier Cosine Carrier BOC(m,m) BOC cos (m,m) BOC cos (15,2.5 ) BOC(10,5) BOC(1,1) Binary Carrier Note: data signals additionally multiplied by binary data stream Message Structure Superframe (1) Frame (1) Frame (2) Frame (i) Frame (N) Subframe (1) Subframe (2) UW..... Subframe (j)..... Data Field Subframe (M) CRC FEC Encoded & Block Interleaved Frame (1) Tail Bits FEC Forward Error Correction, Rate ½ Convolutional Encoded SymbolRateistwice Data Rate UW Unique Word to Synchronise with Data Fields CRC Cyclic Redundancy Check checks parity for data errors Block Interleaving After convolutional encoding excluding UW 24

25 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