GPS – Global Positioning System

Jorn Clausenjoern@TechFak.Uni-Bielefeld.DE

Marty McFly: Then where the hell are they?Dr. Emmett Brown: The appropriate question is ‘When the hell are they?’

• John Harrison: Schiffschronometer, ca. 1750

1

Ubersicht

• Navigation System using Time and Ranging – NAVSTAR

• Entwicklung, Aufbau und Funktionsweise

• Positionsbestimmung

• Signalstruktur

• Fehlerquellen und Korrekturen

• Weiterentwicklungen und Alternativen

• Anwendungen

2

Entwicklung von GPS

• 1970er Jahre vom DoD in Auftrag gegeben

• verschiedene Vorlaufer-Systeme (Navy, Air Force)

• erste Satelliten 1978

• Initial Operational Capability (IOC): Dezember 1993

• Full Operational Capability (FOC): April 1995

• IGEB: Interagency GPS Executive Board (DoD und DoT)

• Navstar GPS Joint Program Office, Los Angeles

• U.S. Coast Guard Navigation Center, Alexandria, VA

• Uberlegungen zur zivilen Nutzung von GPS nach KAL 007 (Abschuß eines korea-nischen Jumbo-Jets 1983 nach Verletzung des Sowjetischen Luftraums uber Kam-tschatka)

• Motto des GPS JPO:

Any Time, Any Place, Right Time, Right Place

• NANUs: Notice Advisory to Navstar Users

3

Funktionsweise

• prinzipielle Idee: Trilateration

• Satelliten senden Signal mitkoordinierter Zeitinformation

• Empfanger ermittelt range

• benotige Information:

– genaue Position der Satelliten

– genaues Zeitmaß

– sonstige Umwelteinflusse

R1R2

R3

4

Aufbau von GPS

• Space Segment: Konstellation aus min. 24 Satelliten

• Control Segment: Uberwachung und Steuerung der Konstellation

• User Segment: militarische oder zivile Endgerate

• zwei Qualitaten:

– Standard Positioning Service (SPS): zivile Nutzung

– Precision Positioning Service (PPS): militarische Nutzung

5

Space Segment

• Block II/IIA, Block IIR

• a = 26600 km, e ≈ 0

• halb-synchrone Orbits

• i = 55◦, 6 Ebenen

• 4 Satelliten pro Ebene + Spares

• z.Z. 30 aktive Satelliten

• letzte Starts: 23.6.2004, 6.11.2004

• Casium- und Rubidium-Uhren

• Atomuhren an Bord der Satelliten:

– Block I: 2 Casium, 1 Rubidium

– Block II/IIA: 2 Casium, 2 Rubidium

– Block IIR: 3 Rubidium

6

Control Segment

Colorado Springs

Ascension Diego Garcia

KwajaleinHawaii Cape Canaveral

• MCS (Master Control Station): Shriever AFB, Colorado Springs

• Sendestationen auf Ascension (Atlantik), Diege Garcie (Indischer Ozean) und Kwa-jalein (Marshall-Inseln), Cape Canaveral

7

User Segment

• erste Reihe:

– RCVR 3A: 5-Kanal-Empfanger, 1985

– MAGR: Nachfolgers des 3A, 1990

– PLGR: Precision Lightweight GPS Receiver, 1993, Gewicht ca. 2 kg

– Empfanger fur geodatische Messungen

• zweite Reihe:

– Magellan FX324 MAP Color

– Garmin iQue 3600

– Motorala i88s

– Motorola FS Oncore GPS-Empfanger, 12-Kanal-Empfanger

8

Positionsbestimmung

• gesendetes Signal enthalt Zeitinformation

• Problem: (genaue) eigene Uhrzeit unbekannt

• Meßwert: pseudo range

Rp = Rt + c∆t + d

=√

(xs − xu)2 + (ys − yu)2 + (zs − zu)2 + c∆t + d

• vier Unbekannte: xu, yu, zu, ∆t

(Rp1 − c∆t − d1)2 = (xs1 − xu)2 + (ys1 − yu)2 + (zs1 − zu)2

......

(Rp4 − c∆t − d4)2 = (xs4 − xu)2 + (ys4 − yu)2 + (zs4 − zu)2

9

Signal

• mehrere Informationen in ein Signal kodiert

• zwei Frequenzen: L1 (1575,42 MHz) und L2 (1227,60 MHz)

• CDMA (Code Division Multiple Access)

• Satellit sendet chip sequence (PRN – Pseudo Random Noise)

• BPSK (Binary Phase Shift Keying)

• ranging codes:

– coarse/aquisition (C/A) auf L1

– precision (P) auf L1 und L2

– Anti-Spoofing: Y-Code verschlusselte Version des P-Code

• navigation message: mit 50 Hz auf C/A- und P-Code moduliert

10

Navigation Message

60

TW HOW

TW

TW

TW

TW

HOW

HOW

HOW

HOW

Clock Correction

Ephemeris

Ephemeris

Message

Almanach/Health

300 300

• 25 frames, 5 subframes

• subframes 1–3 in jedem frame identisch

• minimale Daten nach 30 Sekunden, alle Daten nach 12,5 Minuten

• Daten: 37500 Bytes (36,6 kByte)

11

Selective Availability

• absichtliche Verschlechterung der Daten (Zeit, Ephemeriden)

• Meßgenauigkeit mit SA ca. 100 m, ohne ca. 15 m

• 4. Juli 1991 bis 1. Mai 2000

• Option auf Selective Deniability

• Pressekonferenz zur Abschaltung von SA:

ASSISTANT SECRETARY MONEY: The whole scenario around turning off selective availa-bility was, we wouldn’t do so until we have an ability to deny it. So once we havesuccessfully achieved that, that’s consequently the recommendation that went forthto the President.

Q So how will you selectively deny it?

ASSISTANT SECRETARY MONEY: I will not get into that here.

Q But will you still be using two signals, and just – I mean, everybody else but the militarywill still operate off the second signal, and then you can regionally deny that secondsignal where –

ASSISTANT SECRETARY MONEY: The military routinely operates off two signals, and thenthere will be a – as you’ve just heard, a new civilian signal soon, and yet another oneafter that.

Q For Mr. Money, what is the scope of the regional deniability? Is it –

ASSISTANT SECRETARY MONEY: I will not get into that here.

Q If it’s Kosovo, can they still use the good signal in Western Europe?

ASSISTANT SECRETARY MONEY: Think of it in a localized area, whatever that localizati-on needs to be. So I think your scenario is – maybe the Balkans is a good one, butsomebody in Berlin or Frankfort, or in Athens, will not have a problem.

• Messungen in Hawaii, Wuhan und der Antarktis am 1./2. Mai 2000

12

Atmospharische Einflusse

• Ionosphare fur ca. 50% der Ungenauigkeit von GPS verantwortlich

• Ionospharendaten in Navigation Message

– grobes Modell, nicht sehr zeitnah (wochentliche updates)

• Laufzeitverzogerung abhangig von Signal-Frequenz

– Vergleich von L1 und L2

• Vergleich mit Referenzempfanger

– Differential GPS (DGPS)

• genaueres Ionospharen-Modell aus anderen Quellen

• Ionosphare: ca. 50 km bis ca. 550 km

13

Genauigkeit von GPS

14

Augmentation Systems

• Idee: besseres Modell fur Ionosphare

• Verteilung der Daten:

– Netz von terrestrischen Sendern

– geostationare Satelliten

• GPS-ahnliches Signal, eigene PRNs

• Satellite Based Augmenation System:

– WAAS (Nordamerika)

– EGNOS (Europa)

– MSAS (Japan)

• Akronyme:

WAAS Wide Area Augmentation SystemEGNOS European Geostationary Navigation Overlay

ServiceMSAS Multifunctional Transport Satellite (MTSAT)

Satellite-based Augmentation System

15

Neuerungen

• Forderung: Kompatibilitat mit bestehenden Verfahren

• mittelfristige Neuerungen:

– L2C-, M-, Interplex-Code: ab 2005 (Block IIR-M)

– L5 (1176,45 MHz): ab 2006 (Block IIF)

– insgesamt 7 Signale auf 3 Frequenzen

– IOC 2010, FOC 2013

• langfristige Planungen:

– L1C: Modernisierung von C/A

– Koordination mit anderen GPSSs

16

Alternativen

• GLONASS (Sowjetunion bzw. Russland)

– Globalnaya Navigationnaya Sputnikovaya Sistema

– nominell 24 Satelliten, derzeit 8 funktionsfahig

– i = 65◦, 3 Ebenen

– 2 Frequenzen, FDMA statt CDMA

– kein Anti-Spoofing, keine Selective Availability

• Galileo (Europa)

– 27 Satelliten + 3 Spares, 3 Ebenen

– 11 Signale, offentliche und kommerzielle Nutzung, SAR

– Anti-Spoofing durch Signatur, Public-Key-Verfahren

– erste Satelliten 2005, FOC 2008

• letzter GLONASS-Start: 10.12.2003

17

Anwendungen

18

Kurze Unterbrechung . . .

19

comp.risks

• erhohte Gefahr von Kollisionen

• friendly fire

• Toll Collect

• GPS/Glonass Jammer fur $ 4000 (Januar 1998)

20

Stupid GPS Tricks

28 1

1415

2048

1024

8192

4096

512

256

128

64

32

16 8

4

2

1

MC145151

Vcc

Vt RF RF Out1 2 3

1.5 pF

1.5 nH

Prescaler Input

P1dB = +27 dBm (500 mW)

Notes:

+12 VDC

Micronetics100 pF

VCO

1 2 3

100 pF

+9 VDC

100

pF

1000

pF

100 pF100 pF

33 k

2N3906

PLL Unlock

+9 VDC

6.8 V

22 k

Set to +/- 1.023 MHzNoise Deviation

NOISE

SirenzaSGA-6289

68

Tweak to get1575.42 MHz CW

Noise Generator

+

NC

NC

NC

NC

NC

NC

NC

NC

NC

NC

100

RA0

RA1

RA2

PDout

FinLD

OSCin

OSCout Vdd

Vss

PLL Loop Filter

+LM386

Phrack Magazine, Issue #60www.phrack.org

1 k

1000 pF

5-18 pF

+

100 pF

Noise Jammer for the L1 GPS Frequency (1575.42 MHz)

(T) = Tantalum

M3500-1324S

180

+ +

12 Volt

PowerSPST

1N5401

35 V

Output

78M09LM2940-12 +

Output

1 AmpFuse

Voltage Regulation

PLL

Crystal

Prescaler Output

Jam Mode Select

10 µ

H

0.1 µF

0.01 µF

0.1

µF

0.1

µF

1.0

µF (

T)

10 µ

H

0.01 µF

0.1 µF

5-18 pF

10

1N4148

+

NC = Not connected

Ferrite Bead

Fijitsu MB506 or

0.1 µF

To Antenna orHigher PowerAmplifier

TP2

1N5235

+12 VDC

2 k

22 nH 22 nH

0.1

µF

+9 VDC78L05

National

Motorola

NEC UPB1507GV

Toko 4DFA-1575B-12

NC

2N3904

0.1 µF

0.1 µF

Lead-Acid BatteryTP2 = 3.77 V (PLL Locked)

Test Point Voltages:

Everything should be SMTunless noted

100

pF

1000

pF

Panel Mount SPDT

Panel Mount LED

+

22 µF (T)

N = 315

NC

NC

NC

220

24

220

100 pFAttenuation Pad

47 µF (E)

100 µF (E)

Capacitors are 16 V (min.)

0.1 µF

TP1

+12 VDC +9 VDC

10 MHz

R = 512

100

k

Freq = 1575 MHzRef = 19531.25 Hz

1/2 W

+

1 µF

(T

)

RF Amplifier RF Amplifier

+

10 µF (T)

1

45

8

1 8

4 5

INOUT

OUTINOUTIN

101/4 W

8.2 k

1.8 k

0.022 µF

1 k

10 µ

F (

T)

0.1

µF

TP1 = 13 mVpeak-to-peak

1.5 µF (T)1.0 µF (T)

+

1 k

Resistors in ohms, 5%unless noted (k = 1000)

10

NC

NC

22 µF (T)

2 k

390

(E) = Al Electrolytic

2 k

GPS Jammer

50 Ohm micro stripline

WJ AH102

Divde-by-256

Band Pass Filter

EXTERNALCW/

• erste Reihe:

– Kate the Dog, Hund mit GPS-Empfanger

– GameBoy Advance als GPS-Navigator

– Cola-Dose mit GPS-Empfanger und Handy, Werbegag 2004

– Wherify, robuste GPS-Uhr um Kinder per Web zu lokalisieren

• zweite Reihe:

– The Degree Confluence Project, 52◦N, 8◦E, zwischen Milte und Sassenberg

– GPS-Jammer, Phrack-Magazin Vol. 60

21

Anhange

22

Stecknadelhaufen

• CDMA (Code Division Multiple Access)

• jeder Sender hat charakteristisches Bitmuster (chip sequence)

C1 = (−1,−1,−1,−1) C2 = (+1,−1,+1,−1)

• Eigenschaften:

Ci · Ci = 1 Ci · (−Ci) = −1 Ci · Cj = 0, fur i 6= j

• sende C fur 1, −C fur 0

• Signal S ist Summe aller Bitmuster

• Bit von Sender i herausfiltern:

S · Ci = (b1C1 + . . . + biCi + . . . + bnCn) · Ci = bi

23

Random Noise

• C/A-Code: 1023 chips, 1,023 MHz, 1 ms Dauer

• 2 Gold-Codes durch linear feedback shift registers

⊕

2 3 4 5 6 7 8 9 101

• 36 verschiedene PRNs (Pseudo Random Noise)

• PRNs 1–32 fur GPS-Satelliten, 33–36 fur andere Sender

• P-Code: 15345000 chips, 10,23 MHz, 7 Tage Dauer

24

Signal-Erzeugung

• Datenstrom: Modulo-2-Summe aus Code und navigation message

• Kodierung per BPSK im L1- bzw. L2-Signal

• Binary Phase Shift Keying

25

Differential GPS

• Idee: viele Fehler identisch fur benachbarte Empfanger

• Referenzempfanger an bekannter Position

• zwei Moglichkeiten:

– nachtragliche Korrektur durch Verknupfung der Messungen

– online-Korrektur

• Ranging-Code Differential:

– Messung der Differenz Rp − Rt fur jeden Satelliten

– atmospharische Fehler und Uhr-/Ephemeriden-Fehler

– Empfanger muß Position der Referenzstation nicht kennen

• DGPS in Deutschland: Sender in Mainflingen, Telekom und BfK

26

Quellen

Einige der gezeigten Abbildungen stammen aus frei zuganglichen Quellenim WWW. Die Mehrzahl von ihnen durfte einem Copyright unterliegen.Sollte ein Copyright-Inhaber Einwande gegen die Veroffentlichunginnerhalb dieser Prasentation haben, moge er sich bitte an den Autorwenden.Some of the images shown in this presentation were downloaded frompublicaly available sources in the WWW. Most of them are probablycopyrighted. If a copyright owner objects to the use and publication ofhis/her images in the context of this presentation, please contact theauthor.

27