Introduction

to GPS

Introduction

to GPS

¾

Feasibility studies begun in 1960’s.

¾

Pentagon appropriates funding in 1973.

¾

First satellite launched in 1978.

¾

System declared fully operational in April, 1995.

The History of GPS

¾

Position and coordinates.

¾

The distance and direction between any two waypoints, or a
position and a waypoint.

¾

Travel progress reports.

¾

Accurate time measurement.

Four Basic Functions of GPS

¾

Geodezja: kartografia, geodynamika, budownictwo,

¾

Transport: lotnictwo, astronautyka, transport wodny i

lądowy

¾

Transfer czasu i częstotliwości wzorcowej – dokładny

pomiar czasu: banki, sieci energetyczne, telefony

komórkowe (satelity zawierają zegary atomowe)

¾

Wyznaczanie obiektów w przestrzeni (samolotów

statków)

¾

Wojsko

Zastosowanie:

Control Segment

Space Segment

User Segment

Three Segments of the GPS

Three Segments of the GPS

Monitor Stations

Ground
Antennas

Master Station

Space segment

24 Satellites in 6 orbital planes

4 Satellites in each Plane

20,180 km Altitudes, 55 degree inclination

Space Segment

Obecnie jest 28 satelitów na orbicie:
Czas obiegu: 11h 57 min 27s (nad horyzontem ok. 5h)
Prawdopodobieństwo ze widzimy 5 satelitów powyżej 5

° nad

horyzontem wynosi 0,9996.
Satelita waży 800 kg: zabezpieczony przed promieniowaniem
laserowym oraz uszkodzeniami mechanicznymi

Ground tracks

Where am I?

You are right here.

But where is here?

Position is Based on Time

Position is Based on Time

T

Signal leaves satellite
at time “T”

satellite transmits its exact position and its precise

on board time to Earth at a frequency of
1575.42MHz (L1)

signals need approx 67.3 ms to reach a position on

Earth‘s surface located directly below the
satellite

W odbiorniku mierzony jest czas przebiegu
sygnału od satelity do anteny odbiornika oraz
wyznaczane współrzędne miejsca gdzie znajdował
się satelita w chwili nadania sygnału

One Satellite locates us on a sphere.

Two Satellites locates us on a circle.

Three Satellites locate us at one of two points.

Four or more satellites gives better accuracy.

(Xs-X)

2

+ (Ys-Y)

2

+(Zs-Z)

2

= [c(Ts-Terror)]

2

Pomiar odcinka czasu w którym sygnał przebywa drogę satelita odbiornik wymaga aby w
satelitach i odbiorniku mierzony był aktualny czas. Satelity- zegary atomowe, odbiorniki czas
mniej dokładny. Błąd w różnicy czasu traktowany jest jako jedna dodatkowa zmienna =>
wystarczy do pomaiaru czwarty satelita.

Positioning and coordinate systems

Worldwide reference ellipsoid WGS-84

Równania do wyznaczania pozycji

Równanie sfery

(Xs-X)

2

+ (Ys-Y)

2

+(Zs-Z)

2

= [cTs]

2

Sygnał z 4 satelitów

(X1-X)

2

+ (Y1-Y)

2

+(Z1-Z)

2

= [c(T1-Terror]

2

(X2-X)

2

+ (Y2-Y)

2

+(Z2-Z)

2

= [c(T2-Terror]

2

(X3-X)

2

+ (Y3-Y)

2

+(Z3-Z)

2

= [c(T3-Terror]

2

(X4-X)

2

+ (Y4-Y)

2

+(Z4-Z)

2

= [c(T4-Terror]

2

Niewiadome: X,Y,Z oraz Terror

Four or more satellites gives better accuracy.

(Xs-X)

2

+ (Ys-Y)

2

+(Zs-Z)

2

= [c(Ts-Terror)]

2

Pomiar odcinka czasu w którym sygnał przebywa drogę satelita odbiornik wymaga aby w
satelitach i odbiorniku mierzony był aktualny czas. Satelity- zegary atomowe, odbiorniki czas
mniej dokładny. Błąd w różnicy czasu traktowany jest jako jedna dodatkowa zmienna =>
wystarczy do pomaiaru czwarty satelita.

GPS signal characteristics

Fundamental frequency:

fo = 10.23 MHz

Carriers:

L1 = 154 fo = 1575.42 MHz
L2 = 120 fo = 1227.60 MHz

C/A Code:

Pseudo Random Noise (PRN)

Navigation message:

1,500 bits at 50 bps
each frame is divided into 5 subframes (300 bits each)

Użytkownicy autoryzowani mają dostęp do dwóch częstotliwości radiowych i tutaj przy stosowaniu
specjalnych technik pomiarowych można uzyskać dokładność poniżęj kilku cm.

Najkorzystniejsza sytuacja: teren otwarty, sygnał z kilku satelitów.
Błędy: teren zabudowany, zła pogoda, odbicia.

The message

continuous stream of data transmitted at 50 bits per

second

Kwajalein Atoll

US Space Command

Control Segment

Control Segment

Hawaii

Ascension

Is.

Diego Garcia

Cape Canaveral

Ground Antenna

Master Control Station

Monitor Station

Good Satellite Geometry

Good Satellite Geometry

Triangulating Correct Position

Triangulating Correct Position

Good Satellite Geometry

Good Satellite Geometry

Poor Satellite Geometry

Poor Satellite Geometry

Poor Satellite Geometry

Poor Satellite Geometry

Sources of GPS Error

Standard Positioning Service (SPS ): Civilian Users

Source

Amount of Error

¾

Satellite clocks:

1.5 to 3.6 meters

¾

Orbital errors:

< 1 meter

¾

Ionosphere:

5.0 to 7.0 meters

¾

Troposphere:

0.5 to 0.7 meters

¾

Receiver noise:

0.3 to 1.5 meters

¾

Multipath:

0.6 to 1.2 meters

¾

Selective Availability

(see notes)

¾

User error:

Up to a kilometer or more

Errors are cumulative and increased by PDOP.

Selective Availability (S/A)

¾

The Defense Department dithered the satellite time
message, reducing position accuracy to some GPS users.

¾

S/A was designed to prevent America’s enemies from using
GPS against us and our allies.

¾

In May 2000 the Pentagon reduced S/A to zero meters error.

¾

S/A could be reactivated at any time by the Pentagon.

Sources of Signal Interference

Sources of Signal Interference

Earth’s Atmosphere

Solid Structures

Metal

Electro-magnetic Fields