CORSO DI ELETTRONICA DELLE TELECOMUNICAZIONI Il sistema GPS G. Lullo A. A. 2008-2009 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. ≈ 10–100m). Il sistema GPS Costituito da tre sottosistemi: Space segment Control segment User segment 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. • 20.200 km di altezza (periodo di rivoluzione 12 ore). • Velocità 13.600 km/h. • Da ogni punto della Terra sono sempre visibili almeno 4 satelliti. 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 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. 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 Antenna elicoidale “Mapping grade” $3.000 - $25.000 accur. <1 m Recreational $100 - $500 10 m accuracy 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 105 km/s), la distanza è: D = c ∗ ∆t 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 D1 e D2 da due satelliti, il ricevitore può trovarsi in un punto qualsiasi della circonferenza intersezione. Se sono note le distanze D1, D2 e D3 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 ! 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 ∆t0 . La distanza stimata dal satellite i-esimo (pseudorange) sarà allora: PSRi = Di + c ∗ ∆t0 GPS – Principio di funzionamento Ogni satellite trasmette inoltre i dati sulla sua orbita (effemeridi), per cui è possibile calcolarne la posizione istantanea (XSat_i, YSat_i e ZSat_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 XUser , YUser , ZUser e ∆t0 . 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 (–174 dBm/Hz @ 290 K). GPS – Segnali trasmessi C/A Code Ogni satellite trasmette un proprio codice identificativo pseudorandom (PRN) di 1023 bit (chips), emessi a 1,023 Mbps. 1023 chips (1ms) PRN code 1 chip Il codice è ripetuto 20 volte. Questo gruppo, che dura 20 ms, costituisce un bit di informazione (dato). PRN PRN PRN PRN … PRN 1 0 20 codes (20ms) 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* 0 0 1 0 50bps (20ms/bit) *PRN code inverts to signify bit transition (0/1) 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). 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. 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: G= veloc. chips C/A-Code veloc. dati = 1,023 Mbps = 20.460 = 43dB 50 bps Ricevitore GPS Il messaggio GPS 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: 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. 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. 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!) 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 . Assisted-GPS Aspetti “Geodetici” 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 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).