La Senal GNSS

La Señal GNSS.
Marcelino Valdés Pérez de Vargas
Fecha del Congreso
1
11
Introducción
El diseño de la estructura de la señal, esta condicionado por los
objetivos que persiguen los sistemas de navegación GNSS:
#
#
#
#
#
alta precisión en posición en tiempo real
navegación en tiempo real para usuarios con altas velocidades
cobertura mundial ó regional.
tolerancia a las interferencias intencionadas y no intencionadas
conseguir una posición inicial en un tiempo razonable
A excepción de la cobertura mundial, que depende del despliegue
orbital de los satélites, los otros puntos tienen relación con:
#
#
#
#
#
elección de la banda de radio frecuencias.
utilización de distintas portadoras de frecuencias (L1, L2, L5, E5, E6).
modulación de las portadoras por medio de códigos (solo “habla” el satélite).
señales de amplio espectro.
diseño de las antenas.
Fecha del Congreso
2
22
Para obtener posiciones instantáneas en tiempo real, hay que realizar
medidas simultáneamente de varios satélites (mínimo 4).
Cada satélite tiene que ser identificado:
•
En GPS y Galileo:
Asignando un código único para identificar sus señales (PRN).
•
En GLONASS:
Cada satélite emite en una frecuencia distinta.
La posición del satélite se conoce en tiempo real por medio del
mensaje de navegación.
Se usa principalmente la banda L debido principalmente a:
los efectos del retardo ionosférico son sustancialmente menores que en
otras bandas.
dificultad en las radiointerferencias.
Fecha del Congreso
3
33
Estructura de la señal GPS
La señal GPS consta de tres portadoras en la banda L:
la portadora L1 centrada en la frecuencia 1.575,42 Mhz
la portadora L2 centrada en la frecuencia 1.227,60 Mhz
la portadora L5 centrada en la frecuencia 1.176,45 Mhz
Las señales GPS son de amplio espectro para lograr:
altas precisiones en tiempo real para navegación
combatir las interferencias entre satélite y receptor
asegurar las comunicaciones
Cada una de las portadoras, se obtiene coherentemente como un
múltiplo de la frecuencia fundamental ƒ0 = 10,23 Mhz.
L1 = 154 × ƒ0 = 154 × 10,24 Mhz = 1.575,42 Mhz = 19,05 cm
L2 = 120 × ƒ0 = 120 × 10,24 Mhz = 1.227,60 Mhz = 24,45 cm
L5 = 115 × ƒ0 = 115 × 10,24 Mhz = 1.176,45 Mhz = 23.43 cm
Fecha del Congreso
4
44
Estructura de la señal GPS
Cada satélite transmite señales en ambas frecuencias, siendo
estas las señales de navegación (códigos) y los datos de
navegación y sistema (mensaje).
Los códigos son modulados sobre la frecuencia portadora en
forma de secuencias: “ruido seudo aleatorio (PRN)”.
La señal L1 contiene dos códigos:
Código de alta precisión P (precise).
Código menos preciso C/A (course adquisition).
El código P no es accesible a los civiles y se encuentra encriptado
a un código Y.
Fecha del Congreso
5
55
Estructura de la señal GPS
La señal L2 sólo contenía el código P, los satélites del bloque
IIR(M) transmiten como novedad el código L2C.
El código L2C (civil) tiene mejores características e incluye dos
códigos PRN civiles, el CM (moderado) y CL (largo).
La señal L5 sólo la emite actualmente en pruebas 1 satélite del
bloque IIR(M). Emitirá dos códigos I5 y Q5.
Fecha del Congreso
6
66
Estructura de la señal GPS
Frecuencia
Frecuencia
Fundamental
Fundamental
10.23
10.23MHz
MHz
x 154
L1
L1
1575.42
1575.42MHz
MHz
Código
CódigoC/A
C/A
1.023
MHz
1.023 MHz
Código
CódigoPP(Y)
(Y)
10.23
MHz
10.23 MHz
x 120
L2
L2
1227.60
1227.60MHz
MHz
Código
CódigoL2C
L2C
1.023
MHz
1.023 MHz
Código
CódigoPP(Y)
(Y)
10.23
MHz
10.23 MHz
x 115
L5
L5
1176.45
1176.45MHz
MHz
50
50BPS
BPS
Fecha del Congreso
÷ 10
Códigos
CódigosI5I5yyQ5
Q5
10.23
MHz
10.23 MHz
Mensaje
Mensajede
deNavegación
Navegación(Almanaque,
(Almanaque,efemérides.
efemérides.…)
…)
7
77
Estructura de la señal GPS
Modernización del GPS
•
El código L1C (civil) sobre L1.
•
Código M (Militar) sobre L1 y L2 que mejora el código P(Y).
Fecha del Congreso
8
88
Estructura de la señal GPS
Código de ruido pseudo-aleatorio (PRN)
Un código es un sistema para representar información. Así el código se
usa junto con las reglas que lo definen para transmitir información.
La mayoría de códigos hoy en día son binarios (secuencias 0 y 1) debido
a la facilidad de manejo por los ordenadores (+,-).
Toda información contiene una cantidad no deseada que se llama ruido.
El ruido es aleatorio y enmascara la información.
Sin embargo, un ruido pseudo-aleatorio (PRN) es predecible y de hecho
es el que contiene la información (principalmente la lectura del reloj del
satélite).
Los códigos de ruido pseudo-aleatorio son generados por un algoritmo
específico y tienen la propiedad de que la función de autocorrelación es
casi nula (ésto es: el producto escalar de la secuencia del código por una
copia desplazada del mismo es casi 0) excepto para desplazamiento 0.
Fecha del Congreso
9
99
Estructura de la señal GPS
Registros secuenciales retroalimentados
La generación de las secuencias de código PRN, está basada
en
unos
registros,
llamados
registros
secuenciales
retroalimentados, que están compuestos por una secuencia de
celdas que pueden almacenar los estados 0, 1 (+,-)
Para cada pulso del reloj, el contenido de cada celda pasa a la
celda siguiente, y como salida se lee el contenido de la última
celda.
La entrada en la primera celda está definida por una suma
binaria de dos o más celdas que se fijan por definición con
anterioridad.
Como ejemplo veamos un registro de 4 celdas y la secuencia
que se genera para cada pulso del reloj.
Fecha del Congreso
10 1010
Estructura de la señal GPS
Partimos de un estado inicial:
+
⎡ 0⎤
⎢ 1⎥
⎢ ⎥
⎢ 0⎥
⎢ ⎥
⎣ 0⎦
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
1
0
0
0
1
1
1
1
0
1
0
1
1
0
0
1
0
0
2
1
0
0
0
1
1
1
1
0
1
0
1
1
0
0
1
0
3
0
1
0
0
0
1
1
1
1
0
1
0
1
1
0
0
1
4
0
0
1
0
0
0
1
1
1
1
0
1
0
1
1
0
0
00100011110101100
Fecha del Congreso
S (t )
11 1111
Estructura de la señal GPS
Ejemplo: bites números 3 y 10 para determinar el valor que se
introducirá en el bit número 1 cada vez que queda vacío al
producirse el salto. Empieza con todos los bits a 0 excepto el
primero, que se introduce un 1.
Entre los valores de 3 y 10 se efectúa la operación lógica XOR y el
resultado va al bit 1 tras el siguiente salto.
Esta operación se puede expresar mediante un
polinomio de la forma:
1 + x 3 + x10
En la generación del código C/A se emplean dos registros (o
TSFR): G1 y G2. El descrito aquí es el G1.
En el caso de G2 (aunque el algoritmo no es igual) :
1 + x 2 + x 3 + x 6 + x 8 + x 9 + x10
Fecha del Congreso
12 1212
Estructura de la señal GPS
ƒ
De esta forma se genera una secuencia con todos los estados posibles
menos en el que todos son cero y por tanto conseguimos 2n – 1
estados de una forma periódica.
ƒ
En general con un registro de n celdas se puede producir un código
con un período P = 2n – 1. (Para C/A, con 10, 1023 bites).
El resultado que se va produciendo en cada salto al hacer un XOR
entre los dos bites resultantes (G1 y G2) constituye el código C/A, con
1023 bites de longitud total.
La generación del código P es similar, pero con 4 TSFR en lugar de 2.
Se combinan 2 a 2 para generar códigos intermedios X1 y X2 de más
de 15 megabites cada uno.
El XOR de ambos generan una secuencia con 2,35 x 1014 bites.
Diferencia: el código C/A es muy corto (1023 bites). Con una
frecuencia de transmisión de 1,023 MHz se repite mil veces por
segundo. El código P, con una frecuencia de transmisión de 10,23 MHz
(diez veces superior) tardaría en ser emitido más de 266 días.
Fecha del Congreso
13 1313
Estructura de la señal GPS
Modulación bifásica
Una señal pura no transporta ningún tipo de información
Existen tres formas principales de transmitir información asociada o
modulada sobre una señal (portadora) con una longitud de onda, λ,
y una amplitud, A:
modulando en frecuencia
Fecha del Congreso
14 1414
Estructura de la señal GPS
modulando en amplitud
modulando en fase
Fecha del Congreso
15 1515
Estructura de la señal GPS
El sistema GPS usa la modulación en fase.
La modulación consiste en asignar a los valores binarios (0,1) del código
de ruido pseudo-aleatorio, los estados +1 ó –1.
Se trata de multiplicar la portadora por una función de estado P(t) que
toma los valores +1 ó -1 en función de que el código tenga un 0 ó un 1.
Ésto produce que la fase se mantenga sin alterar (0) o sufra un
desplazamiento de 180º (1). Así, si X es el valor del código (0 o 1),
P( X ) = 1 − 2 ⋅ X
es el valor del estado.
Modulación bifásica
Fecha del Congreso
16 1616
Estructura de la señal GPS
Cada una de las señales se genera con el código P o con el código
C/A y una adición de los datos de navegación, formando las
señales.
2,046 Mhz
Código C/A
Código P
L2 =1227,6 Mhz
L1 =1575,42 Mhz
20,46 Mhz
20,46 Mhz
Densidad espectral de la señal GPS
Fecha del Congreso
17 1717
Estructura de la señal GPS
ƒ
ƒ
La señal L1 está modulada por ambos códigos. El código P está en
fase y el C/A en cuadratura.
Por consiguiente el código P, para el estado 0, está alineado con un
ángulo de fase 0 y para el estado 1 produce un desplazamiento de
180º en la fase.
El código C/A para el estado 0 produce un aumento en la fase de
90º, y para el estado 1 la fase disminuye 90º.
La señal L2 puede ser modulada por el código P o por el código C/A
según sea seleccionado por el segmento de control.
Los mismos datos de navegación de la L1 se modulan sobre la L2.
Fecha del Congreso
18 1818
Estructura de la señal GPS
¿Cómo se mide una distancia con el código (C/A)?
El código C/A se repite cada milisegundo.
El receptor tiene en su memoria la estructura del código y genera una
réplica exacta.
Compara la modulación de la señal recibida con la réplica del código,
encontrando una desincronización.
Para sincronizar la réplica con el original recibido el receptor empieza a
aplicar un retardo.
Fecha del Congreso
19 1919
Estructura de la señal GPS
ƒ Cuando la diferencia se anula, el tiempo
de retardo permite calcular la distacia
(pseudo-distancia).
ƒ Para realizar la comparación entre
ambas señales, hemos de tener en cuenta
que en el proceso intervienen dos relojes,
el del receptor y el del satélite.
ƒ Las
distancias
medidas
estarán
afectadas por los errores de dichos relojes:
pseudodistancias o pseudorangos.
ρ = c ⋅ ∆t
Fecha del Congreso
20 2020
Estructura de la señal GPS
El mensaje de navegación: estructura
Cada pagina del mensaje de navegación tiene una longitud de 1500 bits y
tarda 30 segundos en ser transmitido
Una página esta constituida por 5 párrafos de 300 bits cada uno, es decir,
tarda 6 segundos en ser transmitido cada uno.
Cada párrafo comienza con una palabra de telemetría (TLM) y otra palabra
de gestión del código C/A al P (HOW) (handover word).
El mensaje completo consta de 25 páginas, en cada una de ellas los
párrafos 1, 2, y 3 son iguales, 4 y 5 diferentes (llevan mens. nav.)
El mensaje tarda 12,5 minutos en ser transmitido completamente.
Fecha del Congreso
21 2121
Estructura de la señal GPS
1
2
25
25páginas
páginas––12,5
12,5minutos
minutos
3
4
5
11página
página––30
30segundos
segundos
1500 bits
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11párrafo
párrafo––66segundos
segundos
300 bits
30 bits
MENSAJE
MENSAJECOMPLETO
COMPLETO
25
25PÁGINAS
PÁGINAS
11palabra
palabra––0,6
0,6segundos
segundos
11página
página
11párrafo
párrafo
11palabra
palabra
== 55párrafos
párrafos
==10
10palabras
palabras
==30
30bits
bits
ƒ
Cada bit del mensaje se transmite durante 20 milisegundos. En
este tiempo el código C/A se ha repetido 20 veces.
ƒ
La base de tiempos para la recepción del mensaje se obtiene de
un contador/divisor de frecuencia de valor 20 en el C/A.
Fecha del Congreso
22 2222
Estructura de la señal GPS
El mensaje de navegación: palabra TLM
Es la primera palabra de cada uno de los cinco párrafos que componen una
página del mensaje y tiene una longitud de 30 bits.
La palabra TLM es generada por el satélite, incluida la paridad, y está
compuesta por:
Preámbulo de 8 bits, conocido como forma de sincronización
Un mensaje de 14 bits.
2 bits sin información.
Los últimos 6 bits son de paridad.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
1 0 0 0 1 0 1 1
PREAMBULO
MENSAJE
PARIDAD
Palabra TLM
Fecha del Congreso
23 2323
Estructura de la señal GPS
El mensaje de navegación: palabra HOW
La palabra HOW es la segunda palabra del párrafo y está compuesta por:
17 bits del contador Z
1 bit de estado de descarga
1 bit de sincronización
3 bit de identificación del párrafo
2 bits sin información.
Los últimos 6 bits son de paridad.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
ID
PREAMBULO
PARIDAD
Palabra HOW
Fecha del Congreso
24 2424
Estructura de la señal GPS
El mensaje de navegación: bloque I
Los datos del bloque I, son generados por el segmento de control, y contiene:
las correcciones del reloj.
coeficientes para corrección ionosférica para usuarios de una sola
frecuencia.
El modelo que representa las correcciones del reloj es un polinomio de 2º
orden. El usuario debe corregir el tiempo recibido con la ecuación:
t = t s − ∆t s
donde
∆t s = a0 + a1 (t − toc ) + a2 (t − toc ) 2
Los coeficientes a0, a1, a2 y el tiempo de referencia toc, son datos del bloque I.
Fecha del Congreso
25 2525
Estructura de la señal GPS
El periodo nominal de aplicación es de una hora, con media hora de
aplicación adicional.
Para los usuarios de una sola frecuencia, se proporciona la diferencia de
tiempo en la propagación de las dos señales para hacer la corrección del
retardo de grupo (TGD) para L1 - L2.
Además se proporcionan ocho parámetros para un modelo de corrección
ionosférica.
Por último se proporciona la antigüedad de los datos (IODC), que
representa la diferencia de tiempo entre el toc y el tiempo de la ultima
actualización (tL), ésto es:
IODC = (toc − t L )
Fecha del Congreso
26 2626
Estructura de la señal GPS
El mensaje de navegación: bloque II
Los datos del bloque II, también son
generados por el segmento de control,
y contiene las efemérides del satélite
La representación de las efemérides
del satélite está caracterizada por un
conjunto de parámetros que describen
los elementos keplerianos para un
intervalo de tiempo de al menos una
hora.
IODE representa la diferencia de
tiempo entre el tiempo de referencia toe
y el tiempo de la última actualización tL.
IODE = (toe − t L )
Fecha del Congreso
27 2727
Estructura de la señal GPS
El mensaje de navegación: bloque III
Los datos del bloque III, también son generados por el segmento de
control, y contiene el almanaque de toda la constelación.
El objetivo del almanaque es proporcionar al usuario una posición
aproximada de la situación de cada satélite, las correcciones del reloj y su
estado de salud, con el fin de ayudar a adquirir rápidamente las señales del
satélite.
Por último, de la tercera a la décima palabra del párrafo cuarto, hay un
bloque de mensaje para trasmitir información alfanumérica a los usuarios y
futuros usos.
Fecha del Congreso
28 2828
Estructura de la señal GPS
300 BITS – 6 SEGUNDOS
BLOQUE I
PÁRRAFO - 1
TLM
22
HOW
22
P6
1
LIBRE
24
P6
31
LIBRE
24
P6
61
α0 α1 α2
α 3 β0 β1
β2 β3 TGD
P6 8 8 8 P6 8 8 8 P6 8 8 8 P6
91
121
129
137
151
159
167
181
BLOQUE II
PÁRRAFO - 2
TLM
22
HOW
22
P6
1
P6
31
Crs
16
IOD
E
8
61
∆n
16
P6
69
M0
8 P6
91
M0
24
Cuc
16
P6
107
151
TLM
22
HOW
22
P6
1
Cic
16
P6
31
61
Ω0
8 P6
Ω0
24
Cis
16
P6
77
121
i0
8 P6
189
197
8
211
e
24
211
P6
137
a2
P6 8
219
Cus
16
P6
167
i0
24
toc
16
IOD
C
241
a1
16
a0
22
P6
249
P6
271
DE DATOS
e
8 P6
BLOQUE II
PÁRRAFO - 3
DE DATOS
√A
8 P6
√A
24
toe
16
P6
227
271
*
P6
287
DE DATOS
Crc
16
181
ω
8 P6
ω
24
Ω
24
P6
197
P6
241
LIBR
P6
E
8
14
IOD
E
271
279
BLOQUE DE MENSAJES
PÁRRAFO - 4
TLM
22
HOW
22
P6
1
31
P6
P6
P6
P6
P6
TLM
22
1
*
**
HOW
22
P6
P6
P6
P6
a0 a1 *
P6 8 8 6
P6
61
BLOQUE III
PÁRRAFO - 5
P6
31
LIBRE
SALUD
Fecha del Congreso
ID
P6 8
61
e
16
69
toa
P6 8
91
δi
16
99
Ω
16
P6
121
**
8 P6
137
√A
24
DE DATOS
Ω0
24
P6
151
181
ω
24
P6
211
M0
24
P6
241
271
279
287
Formato del Mensaje de Navegación GPS
29 2929
Estructura de la señal GPS
Fecha del Congreso
30 3030
Estructura de la señal GLONASS
La señal GLONASS consta de dos portadoras en la
banda L:
la portadora L2 centrada en la frecuencia 1.227,60 Mhz
Æ SP (precisión standar)
la portadora L1 centrada en la frecuencia 1.575,42 Mhz
Æ HP (alta precisión)
Fecha del Congreso
31 3131
Estructura de la señal GLONASS
Sistema de múltiple acceso por división en frecuencia.
Cada satélite transmite señales en su propia frecuencia.
Permite su identificación.
Evita que seinterfieran.
Las frecuencias de las portadoras de cada satélite vienen dadas por la expresión:
K⎞
⎛
f = ⎜178.0 + ⎟ ⋅ Z
16 ⎠
⎝
(MHz)
El valor ‘K’ es un entero entre -7 y +12, Z=9 para L1 y Z=7 para L2,
la separación entre frecuencias contiguas es:
de 0.5625 MHz para L1.
0.4375 MHz para L2.
Los valores empleados para K han sido:
Hasta 1998 : entre 0 y 12
De 1998 hasta 2005 : entre -7 y 12
Desde 2005 : entre -7 y 4
Estos valores pueden ser modificadas en circunstancias excepcionales.
Existen satélites que transmiten a la misma frecuencia, pero están situados en las
antípodas, no pueden ser recibidos simultáneamente por un usuario.
Fecha del Congreso
32 3232
Estructura de la señal GALILEO
Realizará una importante contribución a la reducción de
problemas como interferencias
fallos de los satélites.
denegación o degradación de la señal.
Proporcionando en forma independiente la transmisión de
señales suplementarias de radionavegación en diferentes
bandas de frecuencia con el fin de mejorar la fiabilidad y
evitar la vulnerabilidad de la señal.
En total, utilizará 10 radiofrecuencia, de la siguiente
manera:
4 frecuencias en el rango de 1164-1215 MHz (E5A-E5B).
3 frecuencias en el rango de 1260-1300 MHz (E6).
3 frecuencias en el rango de 1559-1591 MHz (L1).
Fecha del Congreso
33 3333
Estructura de la señal GALILEO
Existirán distintos servicios. Galileo está concebido para usuarios distintos ó multimodales
Las frecuencias utilizadas dependerán del servicio utilicado.
Servicio abierto, Open Service (OS)
Esta orientado a aplicaciones para el público en general.
Gratuito.
La precisión de posición y la disponibilidad serán superiores a las de GPS con error de unos
pocos metros.
Usará las frecuencias serán E5A, E5B, L1.
Servicio para aplicaciones críticas, Safety of Life (SoL)
Para aplicaciones de transporte donde la vida humana se podría poner en peligro.
Misma precisión que el servicio abierto.
Se ocuparán nas frecuencias E5A, E5B, L1.
Servicio Comercial, Commercial Service (CS)
Aplicaciones de mercado que requieren un nivel superior de prestaciones.
La frecuencia será la E6.
Servicio público regulado, Public Regulated Service (PRS)
Acceso controlado para aplicaciones gubernamentales (policía ó aduanas)
Las frecuencias serán E6 y L1.
Servicio de búsqueda y salvamento, Search and Rescue Service (SAR)
Recepción casi en tiempo real de mensajes de socorro transmitidos desde cualquier punto de
la Tierra.
localización precisa de alertas (pocos metros).
Fecha del Congreso
34 3434
Fecha del Congreso
35 3535