HET IMPLEMENTEREN VAN EEN MEERKANAALS GNSS-ONTVANGER MET FLEXIBELE HERCONFIGURATIE OP EEN FPGA Rapport over de masterproef van Ruben SMEETS en Joris VOLDERS kandidaten voor de graad van Academische Master Industriële Wetenschappen, Elektronica-ICT Promotoren: dr. ir. W. Aerts dr. ir. N. Mentens Academiejaar 2011 - 2012 Referentie: MP2012/ELO/05
97
Embed
HET IMPLEMENTEREN VAN EEN MEERKANAALS GNSS … · Industriële Wetenschappen, Elektronica-ICT Promotoren: dr. ir. W. Aerts dr. ir. N. Mentens Academiejaar 2011 - 2012 ... De FSM-flowchart
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
HET IMPLEMENTEREN VAN EEN MEERKANAALS GNSS-ONTVANGER MET FLEXIBELE HERCONFIGURATIE OP EEN FPGA Rapport over de masterproef van Ruben SMEETS en Joris VOLDERS kandidaten voor de graad van Academische Master Industriële Wetenschappen, Elektronica-ICT Promotoren: dr. ir. W. Aerts dr. ir. N. Mentens Academiejaar 2011 - 2012 Referentie: MP2012/ELO/05
Woord vooraf
Als laatstejaarsstudenten Industrieel Ingenieur Elektronica aan de Katholieke Hogeschool
Limburg kregen we de mogelijkheid om een masterproef te maken. Onze keuze is daarbij gegaan
naar de opdracht van de Koninklijke Sterrenwacht van België. Ons onderwerp luidde als volgt:
het implementeren van een meerkanaals GNSS-ontvanger met flexibele herconfiguratie op een
FPGA. Dit leek ons een interessante en uitdagende opdracht omdat GNSS-ontvangers niet meer
weg te denken zijn uit de moderne samenleving. Daarbij kregen we met deze thesis de kans om
ons verder te verdiepen in de wereld van telecommunicatie en chipdesign.
Voor het goed verlopen van ons eindwerk zouden we graag aan een aantal mensen een
dankwoord willen uiten. Zonder hun hulp en steun hadden we namelijk nooit dergelijk
eindresultaat kunnen bereiken.
Eerst en vooral willen we onze promotoren, dr.ir. Wim Aerts en dr. ir. Nele Mentens bedanken
voor hun technische ondersteuning en de mogelijkheid die zij ons gaven om deze thesis te
verwezenlijken. Verder willen we ook nog een aantal andere mensen bedanken. Hierbij denken
we aan dr. Jeroen Lievens voor zijn taalkundige hulp en Jo Vliegen voor zijn hulp en begeleiding
bij het programmeren van de Virtex FPGA. Ook willen we vertegenwoordiger Johan Buschgens
van Anritsu bedanken voor zijn uiteenzettingen over de meet- en testapparatuur van Anritsu. Ten
slotte willen we de mensen van de sterrenwacht bedanken voor het ter beschikking stellen van
het nodige materiaal en lokalen en Acro voor het in bruikleen stellen van het ML401 FPGA
Lijst van tabellen ....................................................................................................................................................... 19
Materiaal en methode ............................................................................................................................................. 15
3 Ontvangen van een gps-signaal ....................................................................................................................... 33
3.3.1 De zoektijd bepalen van één PRN-code ................................................................................................ 37 3.3.2 Serie-parallel Correlator (SPC) ............................................................................................................. 39
4.2.3 Compare en Store .................................................................................................................................. 56
Inhoud van cd-rom met bijlage ................................................................................................................................ 97
Lijst van tabellen
Tabel 1: Vergelijking van systemen (1) ....................................................................................................... 27
Tabel 15: Device Utilization Summary van het gps-kanaal ........................................................................ 85
Lijst van figuren
Figuur 1: Decca Navigator Mk 12 (2) ......................................................................................................... 16
Figuur 2: Transit-o satelliet (3) ................................................................................................................... 17
Figuur 3: Positie op aarde (5) ..................................................................................................................... 18
Figuur 4: Positiebepaling met 4 satellieten in een 3D ruimte (5) .............................................................. 19
Figuur 5: The three GPS segments (p44) U-blox (5) ................................................................................... 19
Figuur 6: gps-satellieten in hun 6 baanvlakken rond de aarde - U-blox p.45 (5) ....................................... 20
Figuur 7: Controlesegment positionering (6) ............................................................................................. 21
Figuur 8: Experimental satellites (17) ......................................................................................................... 22
Figuur 9: Dekkingsgebied van het BeiDou-1 systeem (12) ......................................................................... 25
Figuur 10: datastructuur van een gps-signaal - U-blox (5) ......................................................................... 29
Figuur 11: gps-datastructuur - U-blox ........................................................................................................ 30
Figuur 12: Datastructuur Open Service boodschap ................................................................................... 32
Figuur 13: Choke ring antenne (16) ............................................................................................................ 34
Figuur 14: Dipool antenne (16) .................................................................................................................. 34
Figuur 15: Blokdiagram MAX2769 (23) ...................................................................................................... 34
Figuur 16: Inkomende data vergelijken met nagemaakte PRN-codes (14) ................................................ 35
Figuur 17: Tweedimensionaal zoekproces voor één satelliet (11) ............................................................. 36
Figuur 18: Blokschema Serial-Parallel Correlator (Hybridcorrelator) (18) ................................................. 39
Figuur 19: Carrier tracking en Code tracking voor gps (19) ....................................................................... 40
Figuur 20: Genormaliseerde autocorrelatie voor gps L1 A/C code (14) .................................................... 41
Figuur 21: Genormaliseerde autocorrelatie voor Galileo E1 code (14) ..................................................... 41
Figuur 22: Vijf correlators voor tracken Galilieo E1 signalen (14) .............................................................. 42
Figuur 23: Blokschema digitaal gps-kanaal ................................................................................................ 44
Figuur 24: Opbouw hybrid correlator (links) en entity hybrid correlator (rechts) ..................................... 45
Figuur 25: Vergelijken van PRN-register en data_in register ..................................................................... 46
Figuur 26: Testbench Hybrid correlator na één PRN-periode als PRN-codes overeenkomen ................... 47
Figuur 27: Testbench Hybrid correlator na één PRN-periode als PRN-codes niet overeenkomen ............ 47
Figuur 28: Accumulator structuur .............................................................................................................. 49
Figuur 29: Rekenvoorbeeld accumulatorresultaat ..................................................................................... 50
Figuur 30: 4:2-Compressor (20).................................................................................................................. 51
Figuur 31: Boomstructuur 16-accumulator ................................................................................................ 52
Figuur 32: Entiteit van de 16-bit Accumulator ........................................................................................... 53
Figuur 33: Simulatie accumulator .............................................................................................................. 54
Figuur 34: Principeschema en entiteit SSC-correlator Ben Willems, Raf Martino (11) ............................. 54
Figuur 35: Entiteit compare en store ......................................................................................................... 56
Figuur 36: Resultaten na 1 PRN-periode bij overlapping ........................................................................... 57
Figuur 37: Resultaten na 1 PRN-periode bij geen overlapping .................................................................. 57
Figuur 38: Entiteit van de 1-bit correlator en 1-bit accumulator ............................................................... 59
Figuur 39: 1-bit correlator samen met accumulator indien fase en PRN-code gekend zijn ...................... 60
Figuur 40: 1-bit correlator samen met accumulator indien PRN-code gekend is, maar met foute fase ... 60
Figuur 41: entity van de PLE-shifter ........................................................................................................... 62
Figuur 42: Stap 1: Het inlezen van de faseoffset (PLE-shifter) ................................................................... 63
Figuur 43: Stap 2: Het genereren van de Prompt-, late- en early-code (PLE-shifter) ................................ 64
Figuur 44: Testbench PLE-shifter het genereren van Prompt-, Late- en Early-code .................................. 64
Figuur 45: Entity van de tracking regelblok ................................................................................................ 66
Figuur 46: Testbench tracking regelblok voorbeeld 1 ................................................................................ 67
Figuur 47: Testbench tracking regelblok voorbeeld 2 ................................................................................ 67
Figuur 48: Testbench tracking regelblok voorbeeld 3 ................................................................................ 68
Figuur 49: Opbouw NCO ............................................................................................................................. 70
Figuur 50: Simulatie NCO ........................................................................................................................... 72
Figuur 51: NCO meting 4.092 MHz ............................................................................................................. 73
Figuur 52: NCO meting 16.368 MHz ........................................................................................................... 73
Figuur 53: Entiteit Dopplercounter ............................................................................................................ 75
Figuur 54: Frequentiestappen NCO_counter ............................................................................................. 75
Figuur 55: Simulatieresultaten van de Dopplercounter ............................................................................. 76
Figuur 56: De opbouw (links) en entiteit (rechts) van de adresdecoder ................................................... 77
Figuur 57: Het genereren van een adres voor het ROM-geheugen ........................................................... 78
Figuur 58: Testbench adresdecoder tijdens acquisitiefase ........................................................................ 79
Figuur 59: Testbench adresdecoder tijdens trackingfase .......................................................................... 79
Figuur 60: De entity(links) en opbouw(rechts) van het ROM-geheugen ................................................... 81
Figuur 61: Testbench van het ROM-geheugen ........................................................................................... 82
Figuur 62: Testbench volledig gps-kanaal .................................................................................................. 83
Figuur 63: Meetresultaten PRN 2 ............................................................................................................... 84
Figuur 64: een mogelijke opbouw voor een gps/Galileo-ontvangerskanaal (14) ...................................... 86
Figuur 65: De FSM-flowchart voor de acquisitieblok (14) .......................................................................... 87
Figuur 66: Mogelijke opbouw van een trackingskanaal voor gps L1 en Galileo E1 (13) ............................ 88
Figuur 67: Principe partiële herconfiguratie .............................................................................................. 91
Figuur 68: Entiteit dataconverter ............................................................................................................... 92
Figuur 69: Terminal programma ................................................................................................................ 93
Figuur 70: Inhoud van cd-rom met bijlage ................................................................................................. 97
Verklarende woordenlijst
ADC Analog-to-Digital Converter
ADV Advanced
ASIC Application Specific Integrated Circuit
BOC Binary Offset Carrier
BPSK Binary Phase Shift Keying
BRAM Block Random Access Memory
C/A Coarse/Acquisition
CDMA Code Division Multiple Access
CDMF Conventional Digital Matched Filter
CNSS Compass Navigation Satellite System
DCM Digital Clock Manager
DPR Dynamic Partial Reconfiguration
DSP Digital Signal Processing
DSSS Direct Sequence Spread Spectrum
EPL Early Prompt Late
ESA European Space Agency
FCW Frequency Control Word
FDMA Frequency-Division Multiple Access
FFT Fast Fourier Transformation
FIFO First In, First Out
FOC Full Operational Capability
FPGA Field Programmable Gate Array
FSM Finite State Machine
GCC Ground Control Centrum
GCLK Global Clock
GCS Ground Control Segment
GEO Geostationary Orbit
GLONASS Global Navigation Satellite System
GMS Ground Mission Segment
GNSS Global Navigation Satellite System
GPS Global Positioning System
HF High Frequency
IF Intermediate Frequency
IOB In-Output Buffer
LNA Low Noise Amplifier
LORAN Long Range Navigation
LUT Look Up Table
MCS Master Control Station
MEO Medium Earth Orbit
NAVSAT Navy Navigation Satellite System
NCO Numerically-Controlled Oscillator
PLE Prompt Late Early
PLL Phase-Locked Loop
PR Partial Reconfiguration
PRN Pseudo Random Noise
RAM Random-Access Memory
ROM Read-Only Memory
SLMB Submarine-Launched Ballistic Missiles
SPC Serial Parallel Correlator
SSC Serial Search Correlator
TT & C Télemetrie Tracking and Command
TTF Time To first
VHDL VHSIC Hardware Description Language
Abstract
Het departement “Referentiesystemen en Geodynamica” van de Koninklijke Sterrenwacht van
België houdt exacte referenties bij over de tijd, plaats en zwaartekracht. Om de metingen en
studies hieromtrent te verbeteren, en in de toekomst gebruik te kunnen maken van nieuwe
satellietconstellaties, is onderzoek naar flexibele GNSS-ontvangers van groot belang. Deze
masterproef vormt een belangrijke stap in toekomstig onderzoek en heeft voornamelijk drie
doelen.
Een eerste doel is een gps-ontvanger, die reeds in ontwikkeling was, herwerken. Een tweede doel
is de implementatie van een GNSS-ontvanger d.m.v. partiële herconfiguratie zo flexibel en
efficiënt mogelijk maken, om zodoende in een derde stadium met minimale herconfiguratie te
schakelen tussen bijvoorbeeld gelijkaardige signalen van gps en Galileo.
De ontwikkeling van de benodigde hardwarebouwstenen voor de flexibele GNSS-ontvanger
doen we voor een Xilinx Virtex-4 FPGA. De werking van die blokken verifiëren we met
software om vervolgens met de benodigde simulatieapparatuur en een gps-front-end
verscheidene fysieke proeven uit te voeren. De partiële bitstreams worden met Xilinx PlanAhead
aangemaakt en via een pc ingeladen indien de FPGA over UART een request uitvoert. Door die
flexibilisering heeft de Koninklijke Sterrenwacht een doelmatig testplatform dat een belangrijke
schakel zal zijn in toekomstig onderzoek.
Summary
The department “Reference systems and Geodynamics” of the Royal Observatory of Belgium
keeps exact references of time, place and gravity. To improve measurements and studies for this
issue and to allow testing of new satellite constellations, the research of a flexible GNSS-receiver
is of great importance. This thesis forms an important step for future research and has three main
goals.
The first goal is to redesign a gps-receiver that has been provided by previous master students. A
second goal is to implement a GNSS-receiver by means of partial reconfiguration and make it as
flexible and efficient as possible. The third and final goal is to switch between similar signals of
gps and Galileo with minimal hardware reconfiguration.
The development of the required hardware blocks for the flexible GNSS-receiver is done for a
Virtex-4 FPGA from Xilinx. The functionality of these blocks is verified by software whereafter
several different physical tests are preformed with simulation tools and a gps-front-end. The
partial bit streams are created with the Xilinx PlanAhead tool and are downloaded to the FPGA
on request. The request takes place by means of a serial connection or UART. Because of this
flexibility the Royal Observatory has an effective test platform which will be an important key in
future research.
Inleiding
Situering
Als laatstejaarsstudenten van de opleiding Industrieel Ingenieur Elektronica aan de Katholieke
Hogeschool Limburg kregen wij de mogelijkheid om een masterproef te verwezenlijken. Onze
keuze ging naar het onderwerp van de Koninklijke Sterrenwacht België, met als opdracht het
implementeren van een flexibele meerkanaals GNSS-ontvanger (Global Navigation Satellite
Systems) op FPGA (Field Progammable Gate Array).
De Koninklijke Sterrenwacht van België, gevestigd in Ukkel is een onderzoeksinstelling die
onderzoek verricht in verschillende thema‟s binnen het vakgebied van de fysica en dynamica.
Het departement waar wij mee samenwerken, met name “Referentiesystemen en Geodynamica”,
heeft de opdracht om exacte referenties bij te houden over de tijd, plaats en zwaartekracht. Die
gegevens worden vervolgens ingepast in internationaal aanvaarde globale referentiesystemen.
Het bijhouden van deze gegevens is zeer belangrijk. De Aarde is namelijk geen vast lichaam en
is samengesteld uit vaste, vloeibare en gasvormige delen. Deze onderdelen worden voortdurend
blootgesteld aan interne en externe krachten zoals de energiedissipatie, vanuit het binnenste van
de Aarde, en de aantrekkingskracht van de Zon en Maan. En juist hierdoor is het nodig om die
gegevens bij te houden, te meten en indien nodig de referentiegegevens aan te passen. Verder
worden de resultaten van de metingen ook gebruikt in studies met betrekking tot het gemiddelde
zeeniveau, aardbevingen, platentektoniek en precieze plaatsbepaling.
Om die metingen correct uit te voeren en naar de toekomst toe te verbeteren is onderzoek naar
flexibele GNSS-ontvangers van groot belang. Het onderzoeksinstituut gebruikt die ontvangers
als testplatform voor het meten van tijd en afstand. Hoe efficiënter de metingen, hoe beter en
doeltreffender de studies. Deze masterproef tracht in eerste instantie een gps-ontvanger, die reeds
in ontwikkeling was, te herwerken. Vervolgens gaan we d.m.v. partiële herconfiguratie de
implementatie van een GNNS-ontvanger zo flexibel en efficiënt mogelijk maken. Hierna willen
we in een derde stadium met minimale herconfiguratie schakelen tussen bijvoorbeeld
gelijkaardige signalen van gps en Galileo. Door die flexibilisering heeft de Koninklijke
Sterrenwacht een doelmatig testplatform dat een belangrijke schakel zal zijn in toekomstig
onderzoek.
Globale onderzoeksvraag
Bij oudere GNSS-ontvangers was men genoodzaakt om het ontwerp in een ASIC (Application-
specific integrated circuit) te implementeren. De reden was dat de dataverwerking en tracking
van een satelliet zeer rekenintensief is en ASIC in grote oplagen goedkoper was. Een FPGA
daarentegen was voor die berekeningen te traag. In de afgelopen jaren is echter hun snelheid
aanzienlijk toegenomen en de prijs afgenomen waardoor de verwerking met een FPGA kan
KHLim Departement IWT ‟11 – „12
14
gebeuren. Vooral voor onderzoeksgericht gebruik, dus in kleine oplagen, is een FPGA hierdoor
veel goedkoper.
De grote flexibiliteit van een FPGA is voor onze masterproef van groot belang. Een eerste reden
hiervoor is het herconfigureren naar een ander satellietsysteem. Hiermee kan de plaatsbepaling
nauwkeuriger gebeuren door het combineren van verschillende satellieten en hun gegevens. Ook
voor verschillende metingen, het verbinden met externe meetapparatuur en het eventueel
uitbreiden van onze proef in de toekomst is deze flexibilisering niet onbelangrijk.
Uiteraard moet worden nagegaan of de flexibilisering van een GNSS-systeem een aanzienlijke
bijdrage kan leveren in onderzoek naar referentiesystemen en geodynamica. Daarom zullen wij
trachten om in deze masterproef dergelijk systeem te ontwikkelen, implementeren en testen.
Doelstellingen
De concrete opdracht van deze masterproef is het ontwerpen van een flexibele GNSS-ontvanger
op FPGA. Hiervoor moeten een aantal bouwblokken worden ontwikkeld en geïmplementeerd in
VHDL. Om een overzicht te geven, gaan we in onderstaande alinea‟s dieper in op de
verschillende doelstellingen.
Een eerste taak is de literatuurstudie. Hier verdiepen we ons in de verschillende technologieën
die worden gebruikt in de GNSS-wereld waardoor we een beter overzicht krijgen van onze
opdracht. Aangezien de ontvanger flexibel moet zijn, wordt het nodige onderzoek gedaan naar de
verschillende satellietsystemen zoals: gps (VS), Galileo (Europa) en Glonass (Rusland).
Vervolgens bestuderen we het ontwerp van de gps-ontvanger die reeds in ontwikkeling was.
Hiermee kan een algemeen hardwareschema en eventueel uitgebreidere planning worden
gemaakt om de gps-ontvanger te herwerken en uiteindelijk een flexibele GNSS-ontvanger te
bekomen.
Met voorgaand algemeen hardwareschema kunnen we de opdracht opsplitsen in afzonderlijke
bouwblokken zoals: carrier NCO, code NCO, PRN-generator, correlator en shifter. Een tweede
taak is die blokken uitwerken waarbij we ze afzonderlijk ontwerpen, implementeren en
simuleren. Na het testen of de onderdelen correct werken, zal een volgend doel het vergrendelen
van een gps-signaal zijn. Indien de GNSS-ontvanger op een juiste manier een gps-signaal kan
vasthouden gaan we over naar flexibilisering.
In die fase is het belangrijk dat onderdelen zoals het ROM-geheugen en de adressdecoder
worden aangepast voor partiëleherconfiguratie. Als die herconfiguratie eenmaal werkt, kunnen
we verder uitbreiden naar een flexibele ontvanger. Uiteindelijk zal de FPGA afhankelijk van het
gekozen GNSS-type een nieuwe configuratie voor de FPGA binnenlezen. Zodoende kan de
FPGA data ontvangen en verwerken van het desbetreffende satellietsysteem.
Als laatste fase zal er een rapport gemaakt worden van de verschillende ontwerpen,
implementaties en simulatieresultaten van deze masterproef.
KHLim Departement IWT ‟11 – „12
15
Materiaal en methode
Voor het ontwikkelen van deze masterproef maken we gebruik van bepaalde software, hardware
en testapparatuur. Afhankelijk van de fase waarin het ontwerp zich bevind t zal de keuze gaan
naar andere materialen en methodes.
Voor de software maken we gebruik van de ISE design suite van Xilinx. Dit is een
ontwikkelprogramma met een aantal tools specifiek voor het implementeren, simuleren en
programmeren van een FPGA. Xilinx is al meer dan 20 jaar een marktleider in de ontwikkeling
van FPGA‟s zoals de Virtex en Spartan reeks. Met behulp van die design suite kunnen we
bepalen hoe groot de benodigde chipoppervlakte is. Zo kunnen we een geschikte FPGA kiezen
met de juiste prijs-kwaliteitverhouding. Voor het opslaan van de verschillende configuraties voor
de FPGA maken we gebruik van een extern flashgeheugen.
Na de simulaties in ISE gaan we over naar een hardware gerichte simulatie. Hier wordt de FPGA
voorzien van een GNSS-signaal. Het zou echter geen slimme zet zijn onmiddellijk te testen met
een live GNSS-signaal. Live satellietsignalen ondergaan namelijk voortdurend
frequentiewijzigingen door de beweging van de satellieten t.o.v. de ontvanger en de atmosfeer.
Daarom gaan we een vector signaalgenerator gebruiken (MG3700A) om zo een gecontroleerd
GNSS-signaal aan te maken. Indien vervolgens uit nodige tests is gebleken dat de ontvanger op
FPGA correct werkt, kan een live signaal worden aangelegd.
Het GNSS-signaal zal niet rechtstreeks met de FPGA worden verbonden. Hiervoor hebben we
nog een front-end en een antenne nodig. Zowel de front-end, antenne als vector signal generator
worden ons ter beschikking gesteld op de Koninklijke Sterrenwacht.
Voor de flexibilisering passen we het acquisitiegedeelte van de ontvanger aan. Dit houdt in dat
er twee ROM-geheugens met elk vier PRN-codes worden opgeslagen op de FPGA. Indien de
acquisitiefase één ROM-blok doorlopen heeft wordt er via RS232 een request naar de pc
gestuurd. De pc zal dan via een herwerkte Visual Basic terminal de ontvangen request
verwerken. Vervolgens stuurt de pc een partiëlebitstream naar de FPGA met daarin de volgende
ROM-blok. Door dusdanig te herconfigureren kan aanzienlijk plaats bespaard worden en
beschikt de FPGA altijd over de benodigde PRN-codes.
KHLim Departement IWT ‟11 – „12
16
1 GNSS-systemen
In de hedendaagse maatschappij zijn satellietnavigatiesystemen ook bekend als GNSS-systemen
(Global Navigation Satellite Sytem) niet meer weg te denken. We gebruiken ze namelijk
dagelijks voor het bepalen van onze positie, tijd en snelheid. In de loop der jaren zijn er
voortdurend veranderingen en nieuwe technieken bedacht om een efficiëntere en nauwkeurigere
plaatsbepaling te bekomen. In dit hoofdstuk zullen we daarom kort de geschiedenis van enkele
voorlopers overlopen en vervolgens de huidige systemen kort bespreken.
1.1 Geschiedenis
1.1.1 Decca, LORAN en Omega radio navigatie systemen
De vroege voorgangers van navigatiesystemen waren de Decca, LORAN en Omega radio
navigatie systemen. Deze gebruikten lange golf radiozenders i.p.v. satellieten. Die systemen
zonden een radiopuls uit van een gekende master locatie, gevolgd door herhalende pulsen van
een aantal slave stations. Door vervolgens de vertraging te meten tussen het ontvangen van de
masterpuls en het zenden van hun eigen slavepuls kon de afstand tot elk slavestation worden
bepaald. Voor een diepgaande uitleg over deze systemen verwijzen we naar bronnen [1] en [2].
Op onderstaande Figuur 1 is een Decca navigator mk12 weergegeven.
Figuur 1: Decca Navigator Mk 12 [2]
KHLim Departement IWT ‟11 – „12
17
1.1.2 Transit
Het eerste satelliet gebaseerde navigatiesysteem was Transit ook wel bekent als NAVSAT (Navy
Navigation Satellite System). Dit systeem werd in de vroege jaren 60‟ ontwikkeld door de
Amerikaans marine en was louter bedoeld voor militaire doeleinden. [3] Het maakte gebruik van
het dopplereffect om de positie te bepalen en had voor een wereldwijde dekking slechts vijf
satellieten nodig die elk een back-up satelliet hadden. Echter een groot nadeel was dat de positie
slechts eens in de paar uur kon worden bepaald. Sinds 1996 is dit systeem offline gehaald omdat
het overbodig was door het Global Positioning System.
Figuur 2: Transit-o satelliet (3)
1.2 Gps
1.2.1 Inleiding
In dit hoofdstuk bespreken we kort de geschiedenis en het basisprincipe van een gps-systeem
met zijn verschillende onderdelen, zowel op aarde als in de ruimte. Een uitgebreide uitleg over
de technische werking kan je terug vinden in hoofdstuk twee.
Het Global Positioning System is een ruimtegebaseerde navigatie- en positioneringsysteem dat in
1973 werd ontwikkeld door het departement van defensie van de Verenigde Staten. Het
voornaamste doel was om de grenzen van voorgaande systemen te verleggen. Dit werd gedaan
door het integreren van concepten uit voorgaande systemen en enkele design studies uit de jaren
60‟. [4]
KHLim Departement IWT ‟11 – „12
18
1.2.2 Geschiedenis
Het design van een gps-systeem is deels gebaseerd op een systeem gelijkaardig aan de reeds kort
besproken Decca en LORAN navigatie systemen. Toen de Sovjet-Unie de eerste satelliet,
Sputnik in 1957 lanceerde, beslisten 2 Amerikaanse fysici, William Guier en George
Weiffenbach, om de radio transmissies van de Sputnik te monitoren. Al snel realiseerden ze dat
ze dankzij het Dopplereffect de exacte positie van de satelliet in zijn baan rond de aarde konden
achterhalen. Een volgende stap was dat principe omgekeerd toepassen zodat men indien de
satelliet positie gekend was, de plaats op aarde kon bepalen. Dat leidde op zijn beurt tot de
ontwikkeling van het reeds besproken Transit systeem.
Gedurende de koude oorlog was er vraag naar een grotere nauwkeurigheid in positiebepaling.
Die nauwkeurigheid was vooral nodig om ervoor te zorgen dat onderzeeërs een precieze
plaatsbepaling konden doen voordat ze hun SLMB‟s (submarine-launched ballistic missile)
konden lanceren. De vraag naar nauwkeurigheid leidde aldus tot de ontwikkeling van het gps-
systeem. [4]
1.2.3 Basisconcept van een gps-systeem
Inleiding
Een gps-ontvanger berekent zijn positie door precieze timing van de signalen verzonden door de
gps-satelieten. De boodschap verzonden door een gps-satelliet bevat de tijd wanneer de
boodschap werd verzonden en de positie van de satelliet op dat moment.
Hiermee kan de ontvanger bepalen hoe lang die boodschap onderweg was en hoe ver de afstand
is tot die satelliet. Die afstanden worden samen met de positie van de satellieten gebruikt om een
positieberekening uit te voeren. Dat is mogelijk door het bepalen van een middelpunt door het
meten van afstanden gebruikmakend van geometrie van cirkels, ook wel gekend als triangulatie.
In driedimensionale geometrie geldt dat indien een punt op vier oppervlakken ligt, zoals
bolschillen, dat de middelpunten van die gebieden samen met de straal voldoende eijn om de
exacte plaats te berekenen van dat punt. In onderstaande figuur is dat concept weergegeven.
Figuur 3: Positie op aarde [5]
KHLim Departement IWT ‟11 – „12
19
In eerste instantie zou je denken dat de aarde als vierde bol kan dienen, zoals in voorgaande
figuur. Wiskundig klopt dit ook maar een struikelblok hierbij is de ontvanger zijn klok. Door de
grote waarde van de snelheid van het licht zal de verwachte afstand van ontvanger tot satelliet
zeer gevoelig zijn voor fouten. Dat probleem wordt verholpen door een vierde satelliet in gebruik
te nemen zoals weergegeven in figuur 4. [4] [5]
Figuur 4: Positiebepaling met 4 satellieten in een 3D ruimte [5]
Het huidige gps-systeem bestaat volgens [5] en [6] uit drie functionele delen. Namelijk het
ruimtesegment, het controlesegment en een gebruikerssegment. Er is een
eenrichtingscommunicatie mogelijk tussen ruimte- en gebruikerssegment zodat gebruikers hun
positie kunnen bepalen. Tussen het ruimte- en controlesegment is er een bi-directionele
communicatie nodig. Op onderstaande figuur 5 zijn deze segmenten ter verduidelijking
weergegeven.
Figuur 5: The three GPS segments (p44) U-blox [5]
KHLim Departement IWT ‟11 – „12
20
ruimtesegment
Het ruimtesegment bestaat uit 32 operationele satellieten die elk in een circulaire baan om de
aarde draaien in één van de zes voorziene baanvlakken. Elk baanvlak snijdt de evenaar om de
60° met een inclinatiehoek van 55° en bevat vier tot vijf satellieten. Die satellieten roteren op een
hoogte van 20 180 km boven de aarde. Iedere satelliet maakt gedurende een siderische dag (23
uren, 56 minuten en 4.09 seconden) twee volledige omwentelingen. Tot slot is de constellatie
(figuur 6) zodanig gekozen dat er overal op de aarde op ieder moment minstens vier satellieten
ontvangen worden.
Figuur 6: gps-satellieten in hun 6 baanvlakken rond de aarde - U-blox p.45 [5]
controlesegment
Het controlesegment bestaat uit een systeem van trackingstations verspreid over de hele wereld.
Deze stations zijn op te delen in een aantal types:
een hoofdcontrolestation of MCS;
een alternatief hoofdcontrolestation;
vier grondantennes;
zes monitorstations.
De hoofdontrolefaciliteit is gelegen op de luchtmachtbasis van Schreiver in Colorado. Hier
worden precieze orbit gegevens en space vehicle (SV) klok correcties berekend voor elke
satelliet. Enkele belangrijke taken van het controlesegment volgens [5] zijn dan:
observeren van de beweging van de satellieten en het verwerken van hun data;
de klok van de satellieten monitoren en hun gedrag voorspellen;
KHLim Departement IWT ‟11 – „12
21
onboard satelliettijd synchroniseren;
heruitzetten van precieze orbitgegevens van de satellieten;
heruitzetten van verdere informatie zoals klokfouten e.d..
In onderstaande figuur 7 is hun ligging weergegeven op kaart.
Figuur 7: Controlesegment positionering [6]
gebruikerssegment
Om gps te gebruiken heeft de gebruiker op aarde een antenne voor rechtsdraaiende circulaire
polarisatie nodig. Meestal gaat het hier om een draadantenne, zoals een helix of een gekruiste
dipool. In de goedkopere consumentenelektronica zien we vaak ook een gewone dipoolantenne.
Dat heeft als gevolg dat slechts de helft van het vermogen, ook effectief wordt opgevangen. In
hoofdstuk 3, Ontvangen van een gps-signaal, gaan we verder in op de manier waarop het
gebruikerssegment werkt. [7]
KHLim Departement IWT ‟11 – „12
22
1.3 Galileo
1.3.1 Inleiding
In dit hoofdstuk zullen we kort het ontstaan, het basisprincipe en welke onderdelen het Galileo-
systeem bevat zowel op aarde als in de ruimte bespreken. Een uitgebreide uitleg over de
technische werking kan je terug vinden in hoofdstuk 4.6.
Galileo is het Europese satellietnavigatiesysteem dat momenteel wordt ontwikkeld door de
Europese Unie en de Europeseruimte-organisatie(ESA). Het systeem biedt een zeer nauwkeurige
en gegarandeerde plaatsbepaling onder publieke controle. Hierdoor staat Galileo onafhankelijk
van GLONASS, gps of Compass. Die systemen kunnen namelijk tijdens een oorlog worden
uitgeschakeld. Galileo is wel compatibel met gps en GLONASS. [8]
1.3.2 Geschiedenis
In 1999 werd door een select team van ingenieurs een reeks concepten (afkomstig van Duitsland,
Frankrijk, Italië en Engeland) voor het Galileo satellietsysteem vergeleken en gereduceerd tot
één systeem. Een officieel akkoord hieromtrent werd gesloten op 26 Mei 2003. [8] Het in
werking stellen van het Galileo navigatiesysteem bestaat uit twee belangrijke fasen.
Een eerste fase is de in-orbit validatie. In die fase werden de eerste twee experimentele
satellieten (figuur 8) genaamd GIOVE-A en GIOVE-B gelanceerd in 2005 en 2008. Hun taak
was het reserveren van de radiofrequenties benodigd voor Galileo en het testen van de
belangrijkste technieken die achter dat navigatie-systeem zouden zitten. Op 21 oktober 2011
volgden de eerste twee van de vier operationele satellieten ontworpen om het Galileo concept te
valideren en dit zowel in de ruimte als op de aarde. In 2012 zullen nog twee satellieten volgen.
Wanneer de in-orbit validatie voltooid is, wordt er overgegaan naar de tweede fase van
inwerkingstelling. In onderstaande figuur is één van de experimentele satellieten weergegeven.
Figuur 8: Experimental satellites (17)
KHLim Departement IWT ‟11 – „12
23
In de tweede fase genaamd FOC (Full Operational Capability) zal het aantal satellieten
stelselmatig worden opgevoerd. Wanneer Galileo volledig operationeel is, zullen er in totaal 30
satellieten zijn waarvan 27 operationeel en drie reserve. Die zullen op hun beurt gepositioneerd
worden op de drie vlakken in Medium Earth Orbit (MEO) op een hoogte van 23 222 km boven
de aarde. De drie vlakken maken onderling een hoek van 56°. [9]
1.3.2 Basisconcept van een Galileo systeem
Elk van de 30 satellieten heeft standaard twee rubidium atoomklokken en twee passieve
waterstof atoomklokken. Die klokken zullen een nauwkeurig timing-signaal voorzien zodat de
ontvanger kan berekenen hoe lang het signaal nodig heeft om de ontvanger te bereiken. Die
informatie wordt dan gebruikt om een positiebepaling uit te voeren. Ook hier wordt net zoals bij
gps gebruik gemaakt van triangulatie.
Het Galileo-systeem wordt gecontroleerd en bijgestuurd door een aantal controlestations op
aarde. Die stations zijn opgedeeld in GCC mode (Grond Controle Centrums).
- Fucino (Italië) GCC host en bediening van de GMS (Ground Mission Segment);
- Oberphaffenhofen (Duitsland) staat in voor het GCS (Ground Control Segment).
Verder bestaat het grondsegment uit een netwerk van sensorstations die een dekking bieden voor
orbitography- en synchronisatiemetingen. Een netwerk van uplink stations zorgt voor de uplink
van de navigatie-gegevens. Tot slot zijn er nog twee TT & C-stations (Télemetrie, Tracking en
Command) die zorgen voor de controle van de constellatie. Dit alles wordt verbonden door een
globaal datanetwerk van gegevens.
KHLim Departement IWT ‟11 – „12
24
1.4 GLONASS
1.4.1 Inleiding
GLONASS of ook wel het Global Navigation Satellite System, is een radiogebaseerd
satellietnavigatiesysteem dat is opgezet door de Russische overheid. Het was een aanvulling op
en zorgde voor een alternatief voor het gps-systeem van de Verenigde Staten.
1.4.2 Geschiedenis
De ontwikkeling van GLONASS begon in de Sovjet-Unie in 1976. De eerste drie testsatellieten
werden gelanceerd van op een basis in Kazachstan op 12 oktober 1982. In de loop der jaren
werden verschillende satellieten toegevoegd tot de constellatie welke in 1995 compleet was.
Echter was door de economische crisis het systeem eind jaren ‟90 in verval geraakt. Dit ging
zelfs zo ver dat in 2002 nog slechts acht satellieten operationeel waren waardoor plaatsbepaling
niet meer mogelijk was.
Na het herstellen van de economie werd in 2005, onder het presidentschap van Vladimir Putin,
de restoratie van het GLONASS systeem een top prioriteit. Tegen 2010 werd dan ook terug een
volledige dekking van Rusland behaald. In Oktober 2011 was de volledige constellatie van 24
satellieten hersteld waardoor er terug een globale dekking was. [10]
1.4.3 Basisconcept van GLONASS
Technisch zijn er enkele gelijkenissen met het gps-systeem. Zo heeft GLONASS 24 satellieten
waarvan er momenteel 21 operationeel zijn en 3 reserve. In tegenstelling tot bij gps zijn er hier
drie banen voorzien waar de satellieten in circuleren. De satellietbanen bevinden zich op een
hoogte van 19 100 km met een inclinatie van 64.8° en hebben een periode van 11uur en 15
minuten.
KHLim Departement IWT ‟11 – „12
25
1.5 Beidou en Compass
1.5.1 Inleiding
Het Beidou-systeem is een Chinees satellietnavigatiesysteem. Voor informatie omtrent de
werking en opbouw van dit systeem hebben we referenties [5], [11] en [12] geraadpleegd.
Het Beidou-project bestond oorspronkelijk uit Beidoe-1 dat enkel voor een dekking van China en
haar aangrenzende regio‟s zorgde. Momenteel wordt er ook gewerkt aan Beidou-2. Dit tweede
systeem, ook wel Compass genoemd, moet zorgen voor een globale dekking. In de volgende
twee punten bespreken we kort beide systemen.
1.5.2 Basisconcept van Beidou-1
Tussen 2000 en 2007 bracht China vier geostationaire satellieten in werking, welke data
voorzien voor het lokaal Beidou-1 systeem.
In tegenstelling tot de circumpolaire satellieten van gps-, GLONASS- en Galileo-sytemen
opteert Beidou voor geostationaire satellieten. Dit heeft als gevolg dat er slechts een beperkte
dekking is die weergegeven is in onderstaande figuur 9.
Figuur 9: Dekkingsgebied van het BeiDou-1 systeem [12]
Als gevolg van deze geostationaire opbouw gebeurt de positiebepaling interactief tussen de
verschillende satellieten en ontvangers. In een eerste stap wordt een signaal verzonden van de
ontvanger naar de vier satellieten. Vervolgens zullen deze satellieten de exacte tijd van ontvangst
verzenden naar een grond station. Dit station zal op zijn beurt de hoogte, lengte- en breedtegraad
van de navigatie-ontvanger bepalen en die data naar de GEO-satellieten sturen. Ten slotte zenden
de satellieten de positie naar de navigatie ontvanger.
KHLim Departement IWT ‟11 – „12
26
1.5.3 Basisconcept Beidou-2 of Compass
In de nabije toekomst wil de Chinese volksrepubliek het Beidou-2 systeem of ook wel Compass,
CNSS (Compass Navigation Satellite System) in werking stellen. Dit systeem bestaat uit vijf
GEO en 30 MEO satellieten. De vijf GEO satellieten dienen om het Beidou-2 systeem
compatibel te houden met Beidou-1. De MEO satellieten worden over zes baanvlakken rondom
de aarde verdeeld om zo voor een globale dekking te zorgen.
Het Beidou-2 systeem dient niet als uitbreiding op Beidou-1 maar als alleenstaand systeem.
Indien het volledig in werking is gesteld, zal het voornamelijk uit twee services bestaan:
1. vrij gebruik: positie bepaling tot 10m nauwkeurig, snelheidsnauwkeurigheid van
0.2m/s en een tijdsnauwkeurigheid van 50ns;
2. geautoriseerd gebruik: vooral betrouwbaarder en nauwkeuriger dan vrij gebruik.
KHLim Departement IWT ‟11 – „12
27
1.6 Korte vergelijking van de systemen
In onderstaande tabel geven we een overzicht van de verschillende systemen en hun voornaamste
eigenschappen.
Tabel 1: Vergelijking van systemen [1]
Systeem gps GLONASS COMPAS Galileo
Origine VS Rusland China Europa
Codering CDMA FDMA/CDMA CDMA CDMA
Baan hoogte 20 180 km 19 130 km 21 150 km 23 220 km
Periode 11.97 uren 11.26 uren 12.63 uren 14.08 uren