Sicherungsmaßnahmen

Interessenkonflikt

GPS ist in erster Linie ein Navigationssystem des US Streitkräfte. Das bedeutet das die USA allein entscheidet in welchen Umfang GPS der Allgemeinheit zugänglich ist.

Die US Regierung steht bei dieser Entscheidung im Interessenkonflikt:

• Streitkräfte möchten durch alleinigen Zugriff von GPS im Vorteil gegenüber eines militärischen Gegners sein.

• Die US Finanzbehörde möchte durch die Vermarktung der GPS Technologie Steuereinnahmen zur Refinanzierung des Systems erziehlen

Sicherungsmaßnahmen

• Zu Beginn der GPS Technologie gab es noch keinerlei Einschränkungen. Alle relevanten Informationen über das System wurden veröffentlich. Das trug dazu bei das Entwickler aus der ganzen Welt an Facetten gearbeitet haben die diesem System eine höhere Performance gaben.Ca. 1 Jahr vor der vollständigen Betriebsbereitschaft von GPS wurde nach vorheriger Ankündigung GPS am 1. Januar 1994 eingeschränkt.

• Es wurden dabei zwei Techniken eingesetzt:„Selective Availabílity“ und „Anti- Spoofing“

Selective Availability (SA)• Bedeutet in wörtlicher Übersetzung ausgewählte Verfügbarkeit.• Der Systembetreiber wählt aus, welchen Anteil des

Genauigkeitspotentials von GPS zur Verfügung gestellt wird.• Durch SA wurde die Navigationsgenauigkeit(absolut) für einen

zivilen Nutzer auf 100m eingschränkt.• SA war in den USA sehr umstritten. Deshalb wurde SA am 2.Mai

2000 ausgeschaltet. Am 4 Oktober veröffentlichte die USA den Performance Standard. Dieser Standard betrifft die Genauigkeit der Ortung. Somit kann mit einer Genauigkeit von 8,3 m für die Lage und 16,8m für die Höhe gerechnet werden. In ungünstigen Fällen liegen die Werte für die Lage bei 19,7 m und 44,0m für die Höhe.

• Deutsche empirische Untersuchungen bestätigten diese Betreiberangaben.

Anti Spoofing (AS)

• Die Bezeichnung ist auf das englische Verb „to spoof“ beschwindeln, reinlegen zurückzuführen.

• Ein GPS Empfänger wird beschwindelt, wenn ein feindlicher Sender ein Signal mit falschen Informationen ausstrahlt, welches vom Empfänger als Satellitensignal aufgefasst wird.

• AS ist eine Maßnahme zur Verhinderung derartiger Störungen. Dies wird erreicht durch die Verwendung des geheimen P(Y) Code.

Die GPS Nachricht (1)

• Die für die Positionsbestimmung notwendige Nachricht in Echtzeit besteht aus 1500 Bit. Diese wird in 30 Sekunden übertragen was eine Taktfrequenz von 50Hz entspricht (1500Bit /30 Sekunden =50 Bit/s)

• Diese 1500 Bit bilden einen Frame der sich in 5 Subframes a10 Wörtern von je 30 Bit (300 Bit pro Subframe) aufspalten lässt.

Die GPS Nachricht (2)

Die GPS Nachricht (3)

• Jeder Subframe beginnt mit zwei Spezialwörtern „Telemetry Word“ und „Hand Over Word“

• Telemetry WordDas Word besteht aus einer festgelegten 8 Bit Struktur zur Synchronisation und einer 14 Bit Nachricht, die Auskunft darüber gibt, ob gerade neue Ephemeriden an den Satelliten übersandt oder ob andere Satellitenoperationen ausgeführt werden.

Ephemeride

• Eine Ephemeride ist eine Tabelle, die die Positionen eines sich bewegenden Himmelskörpers auflistet, normalerweise ein Objekt unseres Sonnensystems. Ephemeriden finden sowohl in der Astrologie wie in der Astronomie Verwendung. Ephemeriden für die Astronomie bedienen sich zur Positionsangabe entweder des Vollkreises von 360 Grad längs der Ekliptik, oder geben die Position in Äquatorialkoordinaten an. (quelle wikipedia)

Die GPS Nachricht (4)

• Das Hand-Over-Word (HOW)Das Wort enthält die Satellitenzeit des Beginns der nachfolgenden Subsequenz.Diese Zeitangabe ermöglicht den Zugang zum P-Code. Die eigentliche Nachricht ist in den Wörtern 3 bis 10 der Subframes enthalten.

Inhalt von Subframe 1

• AODC (Age of Data-Clock)Informationen über das Alter der Uhrendaten

• Parameter zu Berechnung des Uhrenfehlers. Zweck ist es, dem Nutzer die Differenz zwischen Satellitenzeit und GPS Zeit zu vermitteln.

• Zustand (Health) der Satelliten, GPS Wochennummer, weitere Informationen

Inhalt von Subframe 2

• AODE (Age of Data-Ephemeris) Information über das Alter der Bahndaten

• Bahndaten des Satelliten (siehe Tabelle 1)

Inhalt von Subframe 3 (1)Bahndaten des Satelliten (siehe Tab1)

M0 Mittlere Anomalie

Δn Korrekturglied zur mittleren Winkelgeschwindigkeit

e Exzentrizität der Bahnellipse

a Quadratwurzel der großen Halbachse der Bahnellipse

Inhalt von Subframe 3(2)Ω0 Parameter für die

Rektaszension des aufsteigenden Knotens.

i0 Bahnneigung zur Referenzzeit(tr)

ω Argument des Perigäums

Ώ Zeitliche Änderung der Rektaszension des aufsteigenden Knoten

Inhalt von Subframe 3(3)

ϊ Zeitliche Änderung der Bahnneigung

cuc,cus Korrekturglieder zum Argument der Breite

crc,crs Korrekturglieder zum Radiusvektor

cic,cis Korrekturglieder zur Bahnneigung

t(r) Referenzzeit für die Ephemeriden

Begriffserläuterungen aus diversen online- Enzyklopädien

Rektaszension

• In der Astronomie ist Rektaszension (der in alten deutschen Büchern benutzte Begriff lautet "gerade Aufsteigung") die Entsprechung der geografischen Längenkreise auf der (imaginären) Himmelskugel. Als Nullpunkt der Rektaszension dient dabei der Frühlingspunkt. Die Rektaszension, die bei der Positionsangabe von Himmelsobjekten verwendet wird, wird von Norden aus betrachtet im Gegenuhrzeigersinn gemessen.

• In der Astronomie hat sich eingebürgert, die Rektaszension nicht in Grad, sondern in Stunden anzugeben, wobei 24h = 360° gesetzt werden. Als Kürzel wird RA (engl. Right Ascension) benutzt, wobei der griechische Buchstabe α den Winkel zwischen dem Längengrad des Frühlingspunktes bis zum Längengrad über dem das beobachtete Objekt steht, definiert (auf der Äquatorebene

gemessen) .

Perigäum

• Perigaeum - erdnaechster Punkt einer Erdsatellitenbahn, Gegenteil:Apogaeum

Inhalt von Subframe 4(1)

• Almanach und Informationen über den technischen Zustand der (z.Zt. nicht vorgesehnen) der Satelliten Nr. 25 – 32.Der Almanach enthält die Bahndaten der GPS-Satelliten in vereinfachter Form. Der Almanach wird benutzt, um vorauszuberechnen, wann welche Satelliten für die Ortung zur Verfügung stehen.

Inhalt von Subframe 4(2)

• Ionospärisches RefraktionsmodellBenutzern, die nicht über die Möglichkeit verfügen, beide Signale L1 und L2 zu empfangen, um daraus das laufzeitverhalten der Signale abzuleiten, wird ein Refraktionsmodell übermittel,mit dessen Hilfe Korrekturen zum Laufzeitverhalten des empfangenen Signals gerechnet werden können.

Inhalt von Subframe 4(3)

• UTC- DatenUTC(Universal Time Coordinated). Als die genauste Zeiteinheit gilt heute die Sekunde. Das zu dieser Zeiteinheit gehörende Zeitsystem ist die Atomzeit (TAI: Temps Atomic International). Sie wird durch Atomuhren realisiert. Für astronomische Zwecke wird aber die auf der Erdrotation beruhende Zeit UT1. Die UTC ist die Zeit die beiden Zeitsystemen Rechnung trägt. Die Differenz (UT1-UTC) wird durch Schaltsekunden angepasst.

• Informationen zur Berechnung von UTC aus der GPS-Zeit

Inhalt von Subframe 5 (1)

• Amanach und Informationen über den technischen Zustand der Satelliten Nr. 1 bis 24

• Zur Übermittlung der Inhalte der Subframes 4 und 5 ist eine Nachricht (ein Frame) nicht ausreichend. Benötigt werden 25 Frames die die Bezeichnung „Page“ tragen. Das bedeutet das 25 Nachrichten übertragen werden müssen. Bei den Subframes 4 und 5 werden 25 Pages unterschiedlich Inhalts ausgestrahlt. Die Subframes 1 bis 3 bleiben unverändert.

Inhalt von Subframe 5 (2)

• Zur Übertragung der Gesamt-GPS-Nachricht (Master Frame) werden also 25 * 30s = 12,5 Minuten benötigt. Die für die Ortung unbedingt erforderlichen Bahndaten der Satelliten stehen jedoch alle 30 Sekunden zur Verfügung.

Inhalt von Subframe 5 (3)

SF1 SF2 SF3 SF4 SF5

SF1 SF2 SF3 SF4 SF5

F1

F2

F3

MF

F25

MF: Masterframe

F: Frame

SF: Subframe

Übertragung der Daten(1)

• Die Daten des GPS Systems werden durch Phasenmodulation auf das Trägersignal aufmoduliert.

• Diese Modulation eignet sich nur bei der Übertragung von digitalen Signalen.

Übertragung der Daten(2)

• Bei der Phasenmodulierung wird die Sinusschwingung des Trägersignals unterbrochen und mit einer Phasenverschiebung von 180° wieder aufgenommen.

• Geeignete Geräte können diese Modulation erkennen und auswerten.

• Durch die Phasenmodulation kommt es zu einer Verbreiterung des Frequenzbereiches des Trägersignals. „Wellenberg“ und „Wellental“ folgen schneller aufeinander als im Ursprungssignal.

Übertragung der Daten(3)

Amplitudenmodulation

Frequenzmodulation

Phasenmodulation

Laufzeitmessung der Signale (1)

Bisher ist bekannt :dass der Satellit einen Pseudozufallscode (PRN) aussendet der dem Empfänger bekannt ist.

Wenn der PRN dem Empfänger bekannt ist, kann er den empfangenen Code vergleichen. Üblicherweise tritt allerdings eine Verschiebung auf. Der Empfänger verschiebt nun seinerseits das Signal bis die Signale deckungsgleich sind.

Zeitlicher Verschiebung deckungsgleich

Laufzeitmessung der Signale (2)

Deckungsgleichheit wird durch den Algorithmus Kreuzkorrelation erreicht. Dieser Algorithmus zeichnet sich durch große Unempfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen aus.

Bei der Kreuzkorrelation werden beide Signale miteinander multipliziert. Das Ergebnis entspricht einem Wert (Bild Oben). Anschließend wird so weit geschoben bis ein Maximalwert erkennbar ist der die Deckungsgleichheit signalisiert. Ein weiteres Verschieben decrementiert den Wert (Bild Mitte und Bild Unten).Bilder www.kowoma.de

NMEA-0183 Daten (1)

• Das NMEA (National Marine Elelctronics Association) Protokoll definiert den Datenaustausch zwischen verschiedenen Geräten aus der Marineelektronik. Die NMEA Standards sehen pro „Netz“ ein Sender und diverse Empfänger vor.

• Die Baudrate ist 4800 Baud. in diesem Standard ist keine Steckereinheit definiert, was zu vielen Anschlussvariationen führt.

• Die Festlegung auf einem Sender begründet sich mit dem kontrolliertem Datenaustausch.

NMEA-0183 Daten (1)

• Die Daten werden im ASCII Format übertragen. Dabei sind alle druckbaren Zeichen erlaubt.

• Die Übertragung erfolgt in der Form von Sätzen. Jeder Satz beginnt mit „$“. Anschließend folgt eine zwei Zeichen lange Sendererkennung danach drei Zeichen lange Satzerkennung. Nach der Satzerkennung folgen die Datensätze die mit Kommas voneinander getrennt sind. Abschließend folgt eine Prüfsumme und CR/LF.

NMEA-0183 Daten (2)

• Der Standard erlaubt es weiterhin einzelnen Herstellern eigene Satzformate. Diese fangen mit „$P“ an, gefolgt von der drei Buchstaben langen Herstellererkennung. Dann folgen Daten.

• Die Datensätze der unterschiedlichen Geräte können sehr viele Informationen beinhalten wie zum Beispiel: Position, Geschwindigkeit, Richtung, Wassertiefe, Wassertemperatur, Wegpunkte, Windgeschwindigkeit.

NMEA-0183 Daten (3)

• Im folgenden wird der Aufbau einer GPS Nachricht im NMEA Protokoll wiedergegeben (ist aber nur als Beispiel zu verstehen).

• Der GPRMC Datensatz (RMC recommended minimum sentence C)ist der empfohlene Mindestdatensatz was ein GPS Empfänger ausgeben soll.

NMEA-0183 Daten (4)• $GPRMC,191410,A,4735.5634,N,00739.3538,E,0.0,0.0,181102,0.4,

E,A*19$GPRMB,A,9.99,L,,Exit,4726.8323,N,00820.4822,E,29.212,107.2,,V,A*69$GPGGA,191410,4735.5634,N,00739.3538,E,1,04,4.4,351.5,M,48.0,M,,*45$GPGSA,A,3,,,,15,17,18,23,,,,,,4.7,4.4,1.5*3F$GPGSV,2,1,08,02,59,282,00,03,42,287,00,06,16,094,00,15,80,090,48*79$GPGLL,4735.5634,N,00739.3538,E,191410,A,A*4A$GPBOD,221.9,T,221.5,M,Exit,*6B$GPVTG,0.0,T,359.6,M,0.0,N,0.0,K*47$PGRME,24.7,M,23.5,M,34.1,M*1D$PGRMZ,1012,f*36$PGRMM,WGS 84*06$HCHDG,170.4,,,0.4,E*03$GPRTE,1,1,c,*37

NMEA-0183 Daten (4)

• $GPRMC,191410,A,4735.5634,N,00739.3538,E,0.0,0.0,181102,0.4,E,A*19

   UTC-Zeit

Empfängerwarnung

Nördliche Breite

Östliche Länge

Geschwindigkeit in Knoten und wahrer Kurs Datum

Magnetisch Deklination

Modus(A,D,E,N,S

Prüfsumme

DGPS(1)

• Häufig reicht die Genauigkeit von GPS nicht aus. Mit dem Verfahren Differential GPS (DGPS) kann die Genauigkeit entscheidend verbessert werden, indem zusätzliche terristische Stationen eingerichtet werden. Sie werden als Basisstation oder Korrektursender bezeichnet.

DGPS(2)

• Prinzip

Korrekturdaten

DGPS(3)

• Eine Basisstation mit fester, präzise bekannter Position führt eine Positionsbestimmung mit GPS durch. Da die Positionsbestimmung fehlerhaft ist, wird sich gegenüber der exakten Position eine Differenz ergeben. Anhand dieser Differenz werden Korrekturdaten ermittelt, die dem Benutzer im Umkreis mitgeteilt werden.

DGPS(4)

• Es wird dabei angenommen das der Benutzer in der Umgebung ähnliche Fehler wahrnehmen. Mit den Korrekturdaten werden die Fehler nahezu kompensiert. Wichtig ist:dass der Benutzer in nicht allzu großer Entfernung istdass die Korrekturdaten zeitnah übertragen werden.