Heißstart, Warmstart und Kaltstart ( GPS )dani/SAT.-NAV.F1.pdf · Institute for Automation, Department of Computer Science, University of Technology Heißstart, Warmstart und Kaltstart

Institute for Automation, Department of Computer Science, University of Technology

Heißstart, Warmstart und Kaltstart ( GPS )

• Speicherung der Ephemeriden- und Almanach-Daten im GPS-Empfänger: Unterschiedliche Dauer abhängig davon, wie lange ein GPS-Gerät keinen Empfang hatte.

• War der Empfang der Signale lediglich kurz unterbrochen (z.B. Tunnelfahrt, Wald), so spricht man von Wiedererfassung (engl.: reacquisition). Diese dauert nur wenige Sekunden.

• ! Im Tunnel keine Simulation der Satellitennavigation möglich !

• Bei Ausfahrten/Verzweigungen im Tunnel einfache Wegstreckenerfassung und Entscheidung bei Ausfahrten/Verzweigungen durch den Routenplaner



• Ein Heißstart (engl.: hot start) liegt vor, wenn Position und Uhrzeit bekannt sind, die Almanach- und Ephemeriden-Daten aktuell sind.

• Dieser Fall tritt ein, wenn das Gerät innerhalb der letzten (2 bis 6) Stunden am etwa gleichen Ort eine Positionsbestimmung durchgeführt hat.

• Dann dauert es etwa 15 Sekunden, bis eine Positionsbestimmung (engl.: position fix) verfügbar ist.



• Ein Warmstart (engl.: warm start) liegt vor, wenn die letzte Position bekannt ist, das Almanach vorhanden und die Uhrzeit im Empfänger stimmt, aber die Ephemeriden veraltet sind.

• Dabei müssen nur die Ephemeridendaten aktualisiert werden und es dauert etwa 45 Sekunden, bis eine Positions-bestimmung möglich ist.



• Ein Kaltstart (engl.: cold start) liegt vor, wenn weder Ephemeriden noch Almanach-Daten noch die letzte Position bekannt sind.

• Es müssen zunächst alle Almanach-Daten der Satelliten empfangen werden; das kann bis zu 12,5 Minuten dauern.

• Das gleiche Verhalten zeigen die Empfänger, wenn sie längere Zeit (Wochen) ausgeschaltet waren, ohne Batterie gelagert wurden oder mehr als etwa 300 km seit dem letzten Positionsfix bewegt wurde. Da aber die Position sich so stark verändert hat, dass die "falschen" Satelliten am Himmel stehen, muss der Empfänger zunächst "blind" alle Satelliten suchen.

• Bei vielen Geräten lässt sich durch Eingabe des Datums und der ungefähren Position die benötigte Zeit für den Kaltstart verkürzen.


Militärische Vorbehalte zur Nutzung von GPS

• GPS ist ein Navigationssytem der US-amerikanischen Streitkräfte.

• Allein die Regierung der USA entscheidet darüber, ob und in welchem Umfang GPS-Informationen allgemein zugänglich sind. Maßgebliches Dokument: Federal Radio Navigation Plan (FRNP). Er wird etwa alle zwei Jahre gemeinsam vom DoD (Department of Defense) und dem DoT (Department of Transportation) erneut überarbeitet.

• Department of Transportation bereits länger involviert, da Betriebsleitsysteme für Güterzüge in Nordamerika bereits erfolgreich GPS-gestützt arbeiten.


Militärische Vorbehalte zur Nutzung von GPS

Zwei Systemsicherungstechniken:Selective Availability (S/A)undAnti-Spoofing (A/S)

• Mit diesen beiden Sicherungsmaßnahmen kann aus Gründen der nationalen Sicherheit für die USA erreicht werden, dass der Y-Code nur noch für den vom US-Verteidigungsministerium authorisierten PPS-Nutzer zur Ortung zur Verfügung gestellt wird.


Selective Availability (S/A)

Selective Availability (S/A) = S/A-Systemsicherungstechnik• Einführung einer künstlichen Verschlechterung der Sat.-

Signale durch das DoD.• Diese Maßnahme reduziert die Systemgenauigkeit für

nicht-autorisierte zivile Anwender. Sie wird durch langsame stochastische Verfälschung der Borduhr- und der Bahndaten bewirkt. Verfälschung als sog. S/A-Epsilon-Prozess

• Diese absichtliche Senkung der Genauigkeit (engl.: Intentional Degredation of the Satellite Signals) kann durch den Betreiber des Systems, das Department of Defense (DOD), in Krisenzeiten vorgenommen werden, um anderen Benutzern den Vorteil einer genauen Ortung zu nehmen.



• Allerdings: Im Mai 2000 verzichtete die US-Regierung auf diese Maßnahme, behielt sich jedoch die Wiedereinsetzung dieser Maßnahme vor.

• Unkorrigiert kann der S/A-Mode Positionsfehler in der Größenordnung von 100 m verursachen.

• Militärische Anwender setzen spezielle Prozessoren ein, welche die Auswirkung der S/A-Störung vollständig ausgleichen. Diese, mit PPS-Security Modulesbezeichneten Prozessoren, gewähren den Zugang zum genauen PPS-Dienst (Precision Positioning Service).



• PPS-Security-Modules generieren geeignete Korrekturen der S/A-Fehler für sämtliche Satelliten.

• Diese Korrekturen werden dem Datenverarbeitungsprozessor zur Verfügung gestellt.

• Ein PPS-Security-Module benötigt für die Durchführung seiner Aufgabe aktuelle kryptographische Schlüssel.



• Neben einer so genannten GUV (Group UniqueVariable) mit einer Gültigkeitsdauer von einem Jahr benötigt es eine zweite kryptographischeVariable mit einer Gültigkeit von einer Woche (CVw).

• Die beiden genannten kryptographischenVariablen ermöglichen die Bestimmung eines aktuellen Arbeitsschlüssels (CVd).

• Die Gültigkeit des CVd ist auf einen einzigen Tag begrenzt. Der Arbeitsschlüssel ist für die Ermittlung von S/A-Korrekturen unerlässlich.



• PPS-Security-Modules werden nur von amerikanischen Herstellern produziert.

• Sie sind nur an autorisierte Benutzer lieferbar (US-Streitkräfte, NATO-Mitglieder und Streitkräfte befreundeter Nationen).

• PPS Security Modules sind so konstruiert, dass sie nicht ohne Zerstörung aus dem GPS-Empfänger entfernt werden können.

• Ihre Daten lassen sich auch nicht mit einem externen Gerät auslesen.


Anti-Spoofing (A/S)

• Bei der A/S-Systemsicherungstechnik wird der Zugang von nicht-authorisierten Benutzern zu dem vollen Leistungsumfang des GPS-Systems dadurch unterbunden, dass für den P-Code eine zusätzliche Verschlüsselung vorgenommen wird.

• Wurde diese Verschlüsselung vorgenommen, so liegt der oben genannte Y-Code vor. Ohne diesen Schlüssel (engl.: encryption key) hat der Benutzer keinen Zugang zum Precise Position System (PPS).


Anti-Spoofing (A/S)

• Im Anti-Spoofing (A/S)-Betrieb wird der P-Code in einen Y-Code verschlüsselt. Der verschlüsselte Code benötigt ein spezielles A/S-Modul für jeden Empfängerkanal und ist nur für autorisiertes Personal mit speziellem Schlüssel zugänglich.

• Der P- bzw. Y-Code ist die Basis für die präzise (militärische) Positionsbestimmung.

• Seit dem 24.02.97 ist das A/S-System in Betrieb, und der P-Code wird verschlüsselt als Y-Code ausgesendet.

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

• GPS-Empfänger können bei Bedarf „beschwindelt“werden, nicht jedoch, wenn sie ein A/S-Modul enthalten.


GPS-Signalempfang

• Störungen bei der Signalübertragung: z.B. thermisches Rauschen

• Auf der Empfängerseite Trennung von Signal und Störung erforderlich.

• Das gelingt umso besser, je mehr beim Empfänger über das Sendesignal bekannt ist (etwa über den zeitlichen Verlauf eines gesendeten Signals), siehe AKF

• Genau dieses Prinzip wird nicht nur in der Technik, sondern auch in der Natur angewendet, so bei der Ultraschallortung der Fledermäuse.


Empfang der GPS-Signale mit VisualGPS


VisualGPS von Apollocom

• http://www.visualgps.net/VisualGPS/default.htmund• http://www.kowoma.de/gps/Software/VisualGPS/

VisualGPS.htm• Visual GPS von Apollocom ist ein Freeware-

Programm zur Auswertung von NMEA-0183 Datensätzen.

• NMEA = National Marine Electronics Association• Folgende NMEA-Datensätze werden

ausgewertet: GPGGA, GPGSA, GPGSV



• …ermöglicht die graphische Anzeige von NMEA-Datensätzen

• …ermöglicht die Darstellung der HDOP/VDOP Werte (Güte der Positionsgenauigkeit)

• … grafische Anzeige der Satelliten und deren zurückgelegten Bahnen

• … Darstellung der Signalqualität ( SNR-Window )• … geographische Länge, Breite und die Höhe über NN• … Anzeige der NMEA-Datensätze• … zeigt die Auswirkungen von Selective Availability an

(falls wieder aktiviert)



Requirements:• USB-Port oder RS-232-Schnittstelle• Windows 95/98, WinNT4.0 or higher• mind. 486er-Prozessor oder besser• Auflösung mind. 800x600• mind. 16 MB RAM• mind. 6 MB auf der Hard Disk• Empfangsantenne/Empfänger NAVILOCK

Modell-Nr.: NL-302U


GLONASS

•Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS)

•russische Parallelentwicklung zum GPS

•Die Zahl der Gemeinsamkeiten ist deutlich größer als die der Unterschiede.

• Ob das darauf zurückzuführen ist, dass man in der Sowjetunion und anschließend in der Russischen Föderation dieselben physikalischen Probleme hatte oder ob ein ähnlicher Systementwurf durch teilweise Kopie entstanden ist, ist bis heute nicht vollständig geklärt.


GLONASS

• Aus heutiger Sicht waren es nicht nur technische Schwierigkeiten sondern auch der politische Wandel von der Sowjetunion zur Russischen Föderation, die zu einer retardierten Systementwicklung führten. Boris Jelzin.

• Der erste GLONASS-Satellit befand sich am 12.10.1982 in einer Umlaufbahn, dagegen erfolgte der erste reale Betrieb des GLONASS-Systems erst am 18.01.1996.

• 1993: 12 Satelliten in Betrieb• 1995: 24 Satelliten ; kaum noch finanziert• Zahlreiche Satelliten hatten nur eine Lebensdauer von 1

Jahr.


GLONASS constellation status 05.04.11

Satellite health statusOrb. pl.

Orb. slot

RF chnl # GC Launched Operation

beginsOperation

endsLife-time(months) In

almanacIn ephemeris

(UTC)

1 01 730 14.12.09 30.01.10 15.7 + + 02:30 05.04.11 In operation

2 -4 728 25.12.08 20.01.09 27.3 + + 02:30 05.04.11 In operation

3* 727 25.12.08 17.01.09 08.09.10 27.3 Maintenance

5 01 734 14.12.09 10.01.10 15.7 + + 00:59 05.04.11 In operation

6 -4 733 14.12.09 24.01.10 15.7 + + 00:59 05.04.11 In operation

7 05 712 26.12.04 07.10.05 75.3 + + 02:15 05.04.11 In operation

8 06 729 25.12.08 12.02.09 27.3 + + 02:31 05.04.11 In operation

I

Comments



9 -2 736 02.09.10 04.10.10 7.1 + + 00:59 05.04.11 In operation

10 -7 717 25.12.06 03.04.07 51.4 + + 00:59 05.04.11 In operation

11 00 723 25.12.07 22.01.08 39.4 + + 00:59 05.04.11 In operation

12 -1 737 02.09.10 12.10.10 7.1 + + 00:59 05.04.11 In operation

13 -2 721 25.12.07 08.02.08 39.4 + + 01:00 05.04.11 In operation

-7 722 25.12.07 25.01.08 39.4 + + 01:59 05.04.11 In operation (L1 only)

-6 715 25.12.06 03.04.07 51.4 +* + 02:00 05.04.11 In operation*

15 00 716 25.12.06 12.10.07 51.4 + + 02:30 05.04.11 In operation

16 -1 738 02.09.10 11.10.10 7.1 + + 02:30 05.04.11 In operation

14

II



04 714 25.12.05 31.08.06 63.4 + + 02:31 05.04.11 In operation

718 26.10.07 04.12.07 29.11.10 41.3 Maintenance

18 -3 724 25.09.08 26.10.08 30.3 + + 00:59 05.04.11 In operation

19 03 720 26.10.07 25.11.07 41.3 + + 00:59 05.04.11 In operation

20 02 719 26.10.07 27.11.07 41.3 + + 00:59 05.04.11 In operation

21 04 725 25.09.08 05.11.08 03.04.11 30.3 - - 00:59 05.04.11 Maintenance

-3 731 02.03.10 28.03.10 13.1 + + 01:30 05.04.11 In operation

726 25.09.08 13.11.08 31.08.09 30.3 Maintenance

23 03 732 02.03.10 28.03.10 13.1 + + 02:31 05.04.11 In operation

24 02 735 02.03.10 28.03.10 13.1 + + 02:30 05.04.11 In operation

22

17

III


Vielfachzugriff im GLONASS• Im Wesentlichen zeigt GLONASS die gleiche Technik,

ähnliche Bahnen, Frequenzen und Signalstrukturen wie das GPS.

• Der Vielfachzugriff unterscheidet sich von dem des GPS und erscheint besser und robuster zu sein als beim GPS:

Frequenzmultiplex statt Codemultiplex• Ein wesentlicher Unterschied zum GPS besteht darin, dass

beim GLONASS-System das Empfangssignal nicht absichtlich verfälscht wird, um so die Positionsbestimmung ungenau zu machen.

• Ob dies daran lag, dass man in der Russischen Föderation diesbezüglich keinen erhöhten Aufwand treiben wollte oder weil hochkomplexe integrierte Bauelemente dafür nicht zur Verfügung standen, kann bis heute nicht eindeutig geklärt werden.


Lebensdauer der GLONASS-Satelliten

• GLONASS-System: eingeschränkte Lebensdauer der Satelliten• Die Lebensdauer der sowjetischen und heute russischen

Satelliten beträgt etwa drei Jahre. Dagegen betrug die Lebensdauer der GPS-Satelliten zunächst 7,5 Jahre und konnte bis heute auf zum Teil mehr als 10 Jahre gesteigert werden.

• Lebensdauerbeschränkung tolerierbar bei einem geostationären Satellitensystem, bei dem man dann alle drei Jahre einen Ersatzsatelliten in Betrieb nehmen muss, nicht aber bei einem Satelliten-Navigationssystem mit 24 Satelliten auf verschiedenen Umlaufbahnen.

• Beim GLONASS-System müssten wegen der eingeschränkten Lebensdauer jährlich acht Satelliten erfolgreich gestartet werden, um den operationellen Betrieb aufrecht zu erhalten. Die dafür erforderlichen Investitionen konnte die Russische Föderation bisher nicht aufbringen.


Unterschied vom GLONASS gegenüber GPS

• Ein wesentlicher Unterschied zum GPS besteht darin, dass die Möglichkeit zur Ortung allen Nutzern zur Verfügung gestellt wird und nicht nur wie beim GPS bei hoher Ortungsgenauigkeit allein militärischen Anwendern.

• So wurden auch die GLONASS-Signale nie absichtlich verschlechtert wie die Betriebsart Selective Availability beim GPS.

• So wird beim GPS von den USA auch in Zukunft eine solche künstliche Verschlechterung der Ortungsinformation nicht ausgeschlossen.


GLONASS-Systembeschreibung• Die Entwicklung in der damaligen Sowjetunion orientierte sich

weitgehend am Global Positioning System GPS der USA.• GLONASS-Satelliten arbeiten auf zwei Frequenzen

G-1 bei 1.6035 GHz und G-2 bei 1.2500 GHz.• Diese Frequenzbereiche liegen nahe den L1- und L2-

Frequenzen des GPS.• In gleicher Weise wie beim GPS entwickelten die russischen

Ingenieure ein Navigationskonzept mit einem C/A-Code und einem P-Code, wobei aber der C/A-Code eigentlich nur dafür vorgesehen war, nach dem Einschalten eines Navigations-empfängers über die Nutzung des C/A-Codes dem Nutzer rasch eine erste Information über den Standort zu geben.


Unterschiede gegenüber GPS

• Jeder GLONASS-Satellit strahlt seine Funk-signale auf einem Frequenzpaar im G-1/G-2-Spektrum aus, das allein für ihn reserviert ist und über das er eindeutig identifiziert werden kann (Frequency Division Multiple Access-Verfahren).

• Dieses Zugriffsverfahren ist wesentlich robuster als beim GPS; zudem ist die Signalakquisition bei gleicher Empfangsleistung sehr viel einfacher und die Aufrechterhaltung der Verbindung vom Empfänger zum Satelliten erweist sich als stabiler.


Unterschiede gegenüber GPS• Der P-Code wurde nicht zusätzlich verschlüsselt.

Außerdem wurde der GLONASS-P-Code mit einer Chip Sequence Length von 33 Mio bereits 1989 von Wissenschaftlern entschlüsselt.

• So benutzen zum Beispiel Geophysiker für genaue Vermessungsaufgaben bevorzugt das GLONASS wegen der erreichbaren höheren Messgenauigkeit.

• Unterschiedliche Lebensdauer der Satelliten ( 3 Jahre gegen 10 bis 15 Jahre beim GPS)

• Am 26.10.2007 wurden 3 neue russische Satelliten vom Typ UREGAN gestartet: geplant für ca. 7 Jahre (Ziel).


Segmente des Systems• Ähnlich wie beim GPS besteht das GLONASS aus drei

Segmenten:Raumsegment, Kontrollsegment, Nutzersegment

Raumsegment:• bei Vollausbau aus 21 aktiven Satelliten und drei

Reservesatelliten. • Diese insgesamt 24 Satelliten werden gleichmäßig auf

drei Bahnebenen verteilt. • Die Bahnebenen haben einen Abstand von 120 Grad im

aufsteigenden Knoten. • Jeder Satellit bewegt sich auf einer nahezu

kreisförmigen Umlaufbahn in einer Höhe von 19.100 km über der Erde.

• Die Inklination gegenüber dem Äquator beträgt 64,8 grad und die Umlaufdauer 11h 15min 44s.


Raumsegment

• Jeder Satellit wird von seiner Slot-Nummeridentifiziert, welche die Kreis-Bahn (1-8, 9-16,17-24) und den Ort innerhalb der Bahn definiert.

• Diese Konstellation gewährleistet mit 21 Satelliten eine kontinuierliche Sichtbarkeit von je mindestens vier Satelliten für 97% der Erdoberfläche.

• Künftig soll die Gesamtanzahl der Satelliten auf 27 erhöht werden und nach dem beschriebenen Konzept ständig 24 Satelliten aktiviert sein.


GLONASS-Satellit• zylinderförmiger Container, der in seinen drei

Bewegungsachsen stabilisiert ist. • In die Außenwände des Containers wurden der

Horizontalsensor, der Laser-Reflektor und die Sendeantenne – bestehend aus 12 Antennenelementen – eingebaut.

• Am Containergerüst wurden die beiden seitlichen Sonnensegel mit einer Fläche von 17,5 m2 angebracht.

• Die Triebwerke für die Ausführung von Bahnkorrekturen befinden sich ebenfalls an der Außenseite des Containers.


Daten des Raumsegmentes• 24 Satelliten in 3 Bahnebenen mit je 8 Satelliten, von

einander um 45 Grad getrennt• Bahninklination 64,8 Grad• Orbithöhe: 19.100 km• Umlaufzeit: 11 h 16 min• Durchschnittliche Satelliten-Lebensdauer: 3 Jahre• Satellitenstartmasse (bei GLONASS-M-Typ-Satelliten):

1,48 t• Gesamtlänge der Solarpanel: 7,23 m• Gesamtfläche der Solarpanel: 17,5 m2

• Elektrische Leistung der Solarpanel: 1,6 kW


Daten des Raumsegmentes• GLONASS-Satelliten verfügen über Laser-Reflektoren,

welche die Bahnvermessung mit Laser-Technik erlauben. Die Bahnvermessung wird sowohl in Russland als auch durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Neustrehlitz (Deutschland) durchgeführt.

• Das GLONASS-System bietet durch seine höhere Inklination für höhere Breitengrade eine bessere Satelliten-Abdeckung als GPS (z.B. polnahe Gebiete).

• Die Uhrzeitführung orientiert sich an der UTC-Zeit, allerdings werden im Unterschied zu GPS eingefügte Schaltsekunden mitgeführt.

• Die GLONASS-Systemzeit wird daher als Russian-UTCbezeichnet.


Kontrollsegment

• Das bodenseitige Kontroll-Segment von GLONASS befindet sich auf dem ehemaligem Territorium der Sowjetunion.

• Das Boden-Kontrollzentrum und die Zeit-Standards befinden sich in Moskau und die Telemetrie- und Trackingstationen in St. Petersburg, Ternopol, Eniseisk und Komsomolsk-na-Amure.


Aufgaben des Kontrollsegmentes• Voraussage und Vermessung der Bahndaten als

Ephemeriden für jeden Satelliten• Übermittlung der Ephemeriden, der Uhrzeitkorrektur und

der Informationen des Almanachs an die GLONASS-Satelliten.

• Synchronisation der GLONASS-Systemzeit mit der UTC-Zeit

• Kontrolle des Betriebszustandes der GLONASS-Satelliten hinsichtlich deren Kurs und Lage

• Übermittlung von Kommandotelegrammen zur Gewährleistung der Funktionalität des Gesamtsystems


Kontrollsegment• Das System-Kontrollzentrum befindet sich in

Golitsyno (70 km südwestlich von Moskau).• Die Laser-Tracking-Stationen haben den

Auftrag, den räumlichen Winkel zu den Satelliten hochgenau zu bestimmen.

• Mit diesen Messwerten werden die funktechnischen Verfahren wie das Radar kalibriert.

• Die Laser-Messungen erfolgen durch die Rückstrahlung eines am Satelliten angebrachten Reflektors.


Kontrollsegment• Die erzielbare Positionsgenauigkeit wird durch einen

Fehler von maximal 1,8 cm in der Entfernung und maximal 2 Bogensekunden im Winkel angegeben. Die Laser-Messergebnisse werden über Richtfunk zu jeder Stunde an das Kontrollzentrum übertragen. Sobald Abweichungen gegenüber den Sollwerten auftreten, erfolgen Meldungen an das System-Kontrollzentrum.

Kritik: zu viele Komponenten befinden sich in der Russischen Föderation,eine weltweite Verteilung wäre besser ( vergl. GPS )


Nutzersegment• Die wesentlich höhere Leistungsfähigkeit von GPS ist

durch die große Anzahl an verfügbaren Satelliten begründet.

• International wird aber GLONASS ein wachsendes Interesse entgegengebracht. Dies zeigt sich zum Beispiel an der Zunahme des internationalen Angebotes an Empfängern, die sowohl die Signale von GPS als auch die von GLONASS aufnehmen und verarbeiten können.

• Wir versuchen, einen GLONASS-Empfänger in Betrieb zu nehmen, es fehlt nur das Auswerteprogramm ähnlich dem VisualGPS.


GLONASS-Signalstruktur• Ähnlich der GPS-Signalstruktur enthält das GLONASS-

System einen Mutteroszillator mit einem Frequenznormal und der Frequenz , aus dem alle anderen Frequenzen abgeleitet werden, so die Frequenzen der Träger G-1 und G-2 sowie die Taktfrequenzen der Ortungssignale und der Navigationsdaten.

• Die PRN-Impulsfolge des C/A-Codes wird durch Modulo-2-Addition mit den C/A-Code-Navigationsdaten verknüpft.

• Das so entstandene Signal wird dem Träger durch Phasenumtastung aufmoduliert. Es handelt sich um binäre Phasenumtastung mit den möglichen Phasenwinkeln 00 und 1800.


GLONASS-Signalstruktur

Die PRN-Impulsfolge P(t) des P-Codes wird durch Modulo-2-Addition mit den P-Code-Navigationsdaten verknüpft. Das so entstandene Signal wird der Komponente des Trägers L2, der die Frequenz hat, durch Phasenumtastung aufmoduliert.

2cos( )tω +Θ2

2 2f ω

π=


GLONASS-Signalstruktur

1 2 3 4 5 6 7 98

Ausgang1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 · · · · 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0

+

(„alles etwas einfacher…“)


Signale und Frequenzen

• Die hochfrequenten Signale der GLONASS-Satelliten werden mit einer mittleren Leistung von etwa 30 W von den Antennen abgestrahlt.

• Bei den Antennen handelt es sich um Richtantennen, die vorrangig die Erdoberfläche und den erdnahen Raum beleuchten.


Trägerfrequenzen

MHzmMHzmmG )5625,000,602.1()16900,602.1()(1 ⋅+=⋅+=−

wobei m = +4 … -7.

Danach ergeben sich folgende Trägerfrequenzen nach dem FDMA-Konzept :


Trägerfrequenzen


Zusammenlegung von Trägerfrequenzen

• In der ursprünglichen Systemauslegung hatte jeder der 24 GLONASS-Satelliten seine eigene Frequenz.

• Das G-1-Band erstreckte sich von 1.602,5000 MHz bis 1.615,5000 MHz.

• Etwa 1997 wurde das Spektrum auf die obere Grenzfrequenz von 1.610,0000 MHz beschränkt, um dem mobilen Satellitenkommunikations-dienst Mobile Satellite Services (MSS) das benötigte Frequenzspektrum zuzuteilen.


Zusammenlegung von Trägerfrequenzen (Dopplereffekt)

Diese Beschränkung wird dadurch möglich, weil antipodaleSatelliten die gleiche Frequenz benutzen können. Dies zeigt die folgende Abbildung:


Unterscheidung antipodaler Satelliten auf gleicher Frequenz mit Hilfe eines geostationären

Navigationssatelliten über die Dopplerfrequenz

Auf diese Weise können je zwei Satelliten auf der gleichen Frequenz senden, da bei der Bahnvermessung durch einen geostationären Satelliten eine Unterscheidung durch die überlagerte Dopplerfrequenz möglich ist. Gegenüber dem geostationären Navigationssatelliten treten die von den umlaufenden Satelliten empfangenen Signale mit den Frequenzen und auf.

doppleri ff + doppleri ff −


Phasenverschiebung• Eine Phasenverschiebung ( engl.: phase shift ) kennzeichnet den

zeitlichen Versatz, den ein verzögertes Signal gegenüber einem Referenzsignal aufweist.

• Bei einem Sinussignal wird zur Ermittlung der Phasenverschiebungbeispielsweise der Nulldurchgang zweier Schwingungszüge in zeitliche Relation gesetzt.


Vierfach-Phasenmodulation• Während beim GPS eine binäre Phasenmodulation

eingesetzt wird, wurde beim GLONASS-System eine Vierfach-Phasenmodulation angewandt.

• QPSK-Modulation = Quadratur-Phasenumtastung quadrature phase shift keying

• Bei der Quadratur-Phasenumtastung (QPSK) werden vier diskrete Phasenlagen für die Umtastung verwendet.

• Das Digitalsignal kann in vier verschiedene Phasenlagen von 45 Grad, 135 Grad, 225 Grad und 315 Grad gegenüber der Phasenlage des Mutteroszillators umgetastet werden.


Vierfach-Phasenmodulation



• Jeder Phasenzustand repräsentiert zwei zusammengefasste Bits, ein Dibit.

• Mit dieser Vierphasen-Umtastung wird die Übertragungsgeschwindigkeit gegenüber der Zweiphasen-Umtastung verdoppelt.

• Die QPSK-Technik wird außer bei der Satellitennavigation auch bei Kabelmodems für das Upstream vom Benutzer zum Provider eingesetzt.



• Als Dibit bezeichnet man eine zusammengehörende Gruppe von zwei Bits zu Steuerungszwecken, mit der vier Zustände repräsentiert werden können, nämlich 00, 01, 10 und 11.

• Ein Dibit stellt die Phasenlage bei Quadratur-Phasenmodulation QPSK ein.


besondere Form der QPSK

• UQPSK = Unbalanced Quadrature Phase Shift Keying

• … liegt vor, wenn die Beträge der spektralen Amplitudendichten in den verschiedenen Phasenlagen verschieden sind:

• … für den C/A-Code geringere spektrale Amplitudendichte

• … für den P-Code höhere spektrale Amplitudendichte


Unbalanced Quadrature Phase Shift Keying

UQPSK

C/A Code, bei GPS 1 Mbps bei GLONASS

0,5 Mbps

P-Code GPS10 Mbps

GLONASS 5 Mbps


QPSK mit 4 PhasenlagenZeitlicher Verlauf bei QPSK:

… damit Bittaktstützung möglich !


8-fach PSKNächster Schritt: 8 mögliche Phasenlagen 8-PSK, Verdreifachung der Übertragungsgeschwindigkeit gegenüber PSK

Das sind dann Tribits !Anstelle der einzelnen Bits fügt man die Bits in Gruppen von Tribits zusammen und tastet die Trägerfrequenz in dem jeweiligen Phasenwinkel.

… dieses Verfahren gilt aber nicht mehr für GLONASS !


Weiterer Ausbau des GLONASS-Systems

• Seit 2001 wurden verbesserte Uragan-M-Satelliten mit einer Lebensdauer angeblich von sieben Jahren eingesetzt.

• Eine neue Uragan-K-Generation mit geringerer Startmasse und einer Lebensdauer von voraussichtlich 10 Jahren befindet sich derzeit in der Entwicklung.

• Im August 2006 waren zwölf funktionsfähige Satelliten stationiert, zwei weitere temporär außer Dienst gestellt sowie zwei bereits im Orbit befindliche Satelliten noch nicht in den aktiven Dienst übernommen.

• 2008 wurden jeweils sechs weitere Uragan-M-Satellitengestartet werden, gestartet auf insgesamt vier Proton-Raketen.


Aktuelle Entwicklung

• Beim GLONASS verwenden alle Satelliten dieselbe Code-Sequenz, da sich die Satelliten ja durch ihre Frequenz unterscheiden. Ähnlich wie beim GPS wird eine Navigation Message(Bahninformation) aufmoduliert, wenn auch mit einem etwas anderen Format und Inhalt.

• Die modernisierten Satelliten vom Typ GLONASS K werden zusätzlich auf einer dritten Frequenz senden. Möglicherweise werden zur Zeit Überlegungen angestellt, ob GLONASS von FDMA zu CDMA wechseln soll, wodurch der Bau kombinierter Empfänger vereinfacht würde.


Künftige Entwicklung von GLONASS

• Die Russische Föderation hat für das GLONASS folgende Weiterentwicklungen in Aussicht gestellt:

• Aufbau eines Netzes von Referenzstationen für ein Differential-GLONASS (ähnlich dem Differential-GPS)

• Ergänzung ausgefallener GLONASS-Satelliten

• Modernisierungsprogramm GLONASS-M



• Das vorgesehene Modernisierungsprogramm GLONASS-M umfasst die folgenden Arbeitspakete:

• Modifizierung der Satelliten• Erweiterung mit einem Subsystem für die

Kommunikation bei kleiner Datenübertragungsrate• Erweiterung des Kontrollsegments

• Die weitere Entwicklung von GLONASS betrifft vor allem die Lebensdauererwartung, die erheblich gesteigert werden muss.



• Bisher fielen relativ häufig Atomuhren aus, so dass dadurch die Lebensdauer verkürzt wurde. Daher mussten noch jedes Jahr etwa drei neue Satelliten in Betrieb genommen werden, um die volle Funktionalität des GLONASS zu gewährleisten.

• Das bedeutet aber hohe Investitionen für die Russische Föderation.

• Außerdem soll die Kommunikation mit den Satelliten dadurch verbessert werden, dass bei geringer Datenübertragungsrate geostationäre Satelliten in das System mit einbezogen werden sollen.

• Außerdem soll die Anzahl von bodenseitigen Kontrollstationen erhöht werden und diese auch besser weltweit verteilt werden.


Weitere Entwicklung• Ehemaliger Präsident Putin Der russische Präsident

Wladimir Putin will seine Labradorhündin Konni so rasch wie möglich mit dem russischen Satelliten-Navigationssystem GLONASS ausrüsten, damit sie ihm nicht mehr zu weit weglaufen kann.

"Wann kann ich GLONASS für Konni bekommen?"fragte Putin seinen ersten stellvertretenden Ministerpräsidenten Sergej Iwanow, als dieser die Pläne für den Start von drei neuen GLONASS-Satellitenvorstellte.

• "Entsprechende Halsbänder für Hunde oder Katzen sind seit Juli 2008 in die Läden", antwortete Iwanow, ohne eine Miene zu verziehen, wie die Nachrichtenagentur Itar-Tass berichtete.


Weitere Entwicklung


Berichte zum GLONASS-Sytem• MOSKAU, 07. April 2008. Das russissche

Navigationssatellitensystem GLONASS soll von 24 auf 30 Satelliten aufgestockt werden. Das teilte Juri Urlitschitsch, Direktor des russischen Forschungsinstituts für kosmischen Gerätebau, in einer Konferenz für Satellitennavigation mit: "Sogar ohne Änderung des Frequenzbereiches der Satelliten wird es uns gelingen, die Gruppierung auf 30 Weltraumapparate zu bringen", sagte der Direktor. Außerdem werden, so Urlitschitsch, bereits im Jahr 2012 27 GLONASS-M-Satelliten auf ihren Umlaufbahnen sein ( ? ).

• Am 05.04.11 waren 22 Satelliten operational, davon 1 Sat. in der Inbetriebnahme, davon weitere 4 Sat. Im Zustand der Wartung.

• Seit 2010 werden neuartige GLONASS-K-Satelliten mit einer Betriebsdauer von bis zu zehn Jahren auf die Umlaufbahnen gebracht.


Berichte zum GLONASS-Sytem• MOSKAU, 07.April.2008. Der Markt für Satellitennavigation

in Russland soll bis 2015 auf 160 Milliarden Rubel (1 Euro = ca. 37 Rubel)= 4,32 Mrd. € zunehmen ( ??? ).

• Dies kündigte Sergej Pissarew, Generaldirektor des russischen Instituts für Funknavigation, auf einer Konferenz für Satellitennavigation in Moskau an.

• Nach seinen Angaben wird die Zahl der Nutzer der Navigationssatelliten GLONASS etwa sieben Prozent der gesamten russischen Bevölkerung ausmachen. Nach seinen Worten werden die einheimischen Herstellerbetriebe von Navigationsgeräten mit GLONASS-Satelliten führende Positionen einnehmen (?).



Folgende Weiterentwicklungen vorgesehen:

Aufbau eines Netzes von Referenzstationen für ein Differential-GLONASS (ähnlich dem DGPS)Ergänzung ausgefallener GLONASS-SatellitenModernisierungsprogramm GLONASS-MErweiterung des Kontrollsegments

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Heißstart, Warmstart und Kaltstart ( GPS )dani/SAT.-NAV.F1.pdf · Institute for Automation, Department of Computer Science, University of Technology Heißstart, Warmstart und Kaltstart