Gps Signals-soumyadip

  • Uploaded by: soumya_cu
  • 0
  • 0
  • November 2019
  • PDF

This document was uploaded by user and they confirmed that they have the permission to share it. If you are author or own the copyright of this book, please report to us by using this DMCA report form. Report DMCA


Overview

Download & View Gps Signals-soumyadip as PDF for free.

More details

  • Words: 1,226
  • Pages: 23
GPS Signal Structure • Sources:  – GPS Satellite Surveying, Leick – Kristine Larson Lecture Notes http://www.colorado.edu/engineering/ASEN/asen 4519/asen4519.html

 

 

GPS Signal Requirements • Method (code) to identify each satellite • The location of the satellite or some  information on how to determine it • Information regarding the amount of time  elapsed since the signal left the satellite • Details on the satellite clock status  

 

Important Issues to Consider • • • • •

 

Methods to encode information Signal power Frequency allocation Security Number and type of codes necessary to  satisfy system requirements  

Overview of Satellite Transmissions • All transmissions derive from a  fundamental frequency of 10.23 Mhz – L1 = 154 • 10.23 = 1575.42 Mhz – L2 = 120 • 10.23 = 1227.60 Mhz

• All codes initialized once per GPS week at  midnight from Saturday to Sunday – Chipping rate for C/A is 1.023 Mhz – Chipping rate for P(Y) is 10.23 Mhz

 

 

Schematic of GPS codes and carrier phase

 

 

GPS Signal Characteristics

 

 

Digital Modulation Methods • Amplitude Modulation (AM) also known as  amplitude­shift keying.  This method requires  changing the amplitude of the carrier phase  between 0 and 1 to encode the digital signal. • Frequency Modulation (FM) also known as  frequency­shift keying.  Must alter the frequency  of the carrier to correspond to 0 or 1. • Phase Modulation (PM) also known as phase­ shift keying. At each phase shift, the bit is flipped  from 0 to 1 or vice versa.  This is the method used  in GPS.  

 

Modulation Schematics

 

 

Modulo­2 recovery of GPS code Modulo­2 arithmetic: 0 + 0 = 0; 0 + 1 = 1; 1 + 0 = 1; 1 + 1 = 0 Bit shifts aligned

 

 

MUST MOD­2 ADD RECEIVER­GENERATED CODE TO RECOVER

Superposition of codes ­ details • Superposition of two codes is not unique because  the bit transition occurs at the same epoch;  remember that both codes and phases are  multiples of the fundamental frequency • Need to impose an additional constraint to arrive  at a solution ­ quadri­phase­shift keying (QPSK),  which puts the two codes 90° (π/2)

 

 

Phase and Quandrature ­ General General Expression:

y(t) = y1 (t) + y 2 (t) = x1 (t)coswt + x 2 (t)sinwt where

y1 (t) is in phase (I) and y12(t) is in quandrature (Q) All spectral components of y1(t) are 90° out of phase  with those of y2(t). This allows this the two signals to  be separated in the receiver.  

 

Codes on L1 and L2 S1p (t) = A p P p (t)D P (t)cos(2pf1t) + AcG P (t)D P (t)sin(2pf1 t) where

A p , Ac =  amplitudes (power) of P(Y) ­ code and C / A ­ code P P (t) =  pseudorandom P(Y) ­ code P

G (t) =  C / A ­ code (Gold code) D P (t) =  navigation data stream and

S2p (t) = B p P p (t)D P (t)cos(2pf2 t)  

 

Codes on L1 and L2 (con’t.) p

P

P

P

P (t)D (t) and G (t)D (t) imply modulo ­ 2 addition and the P(Y) ­ code is also a modulo ­ 2 sum of two pseudorandom data streams:

P p (t) = X1 (t)X 2 (t - pT)

0 £ p £ 36 1 = 10.23 Mhz T  

 

GPS signal strength ­ frequency domain Note that C/A code is below noise  level; signal is multiplied in the  Receiver by the internally calculated code to allow tracking.   C/A­code chip is 1.023 Mhz P­code chip is 10.23 Mhz

Power = P(t) = y2(t)

Bandwidth  º  B »

1 T

The calculated power spectrum  derives from the Fourier  transform of a square wave  of width 2π and unit amplitude. Common function in DSP  called the “sinc” function.

where T º  is chip duration

sin(px) 1 sin c(x) = = px 2p  

 

p

iwx e ò ¶w -p

Digital Signal Processing Techniques • Filtering: Allows one to remove some  portion of the frequency spectrum that may  contain unwanted signal. – Low Pass Filter: lets all frequencies below a  cutoff frequency through. – High Pass Filter: lets all frequencies above a  cutoff frequency through. – Band Pass Filter: lets all frequencies within a  specified window pass through.  The window  is called the passband

 

 

DSP Techniques, con’t. • Frequency Translation and Multiplication:  technique to shift frequency spectrum of some  signal to another portion of the frequency domain. – Up­conversion: translate signal to higher frequencies. – Down­conversion: translate signal to lower frequencies.   Commonly done in GPS receivers. Multiply signal by  sine function in a “mixer.” Special case is signal  squaring and may be used to recover the pure carrier  phase from a bi­phase modulated ranging signal.  

 

DSP Techniques, con’t. • Spread Spectrum: broadly defined as a mechanism  by which the bandwidth of the transmitted code is  much greater than the baseband information signal  (e.g. the navigation message in GPS)

– FDMA: Frequency Division Multiple Access. Requires  different carriers.  Used by GLONASS. – TDMA: Time Division Multiple Access. Several channels  share transmission link. Used by many cellular telephone  providers and LORAN­C. – CDMA: Code Division Multiple Access.  Requires  pseudorandom codes by transmitted and also generated for  correlation within the receiver.  Used by GPS.

 

 

DSP Techniques, con’t. • Cross­correlation: Used by GPS receivers  to determine what signal is coming from a  specific satellite. Can be generalized to  extracting information from any  multiplexed digital signal. ì 1 ï 1 Dt C ij (Dt) = ò y i (t)y j (t + Dt)dt = í 1t t0 T ï î »0 t 0 +t

if   Dt    =   0 if  | Dt |   £  T if  | Dt |   >  T

where t   denotes the integration time and y i (t) and y j (t) are continuous functions (e.g. PRN codes)  

PRN Cross­correlation Correlation of receiver generated PRN code (A) with incoming data stream consisting of multiple (e.g. four, A, B, C, and D) codes

 

 

Schematic of C/A­code acquisition

Since C/A­code is 1023 chips long and repeats every 1/1000 s, it is inherently  ambiguous by 1 msec or ~300 km.  Must modulo­2 add the transmitted and      received codes after correlation to increase SNR and narrow bandwidth.

Methods to Cope with Anti­spoofing • Anti­spoofing: Implemented in 1994 to make P­ code unavailable to non­military users. Encrypted  P­code is referred to as Y­code. – Squaring: Yields half­wavelength carrier and  greatly reduces SNR. Old technology. – Code­aided squaring: Uses mathematical  similarity of the Y­code to P­code. L1 carrier is  down­converted and multiplied with a local  replica of the P­code, then squared.  Results in  less reduction of SNR than simple squaring.  

 

Anti­spoofing Methods, con’t. • Cross­correlation: Takes advantage of the fact that both  L1 and L2 are modulated with the same P(Y)­code, despite  lack of knowledge of the actual P­code.  Yields the  difference in pseudoranges, P1(Y) ­ P2(Y), and the phase  difference of L1 and L2.  Again less SNR loss compared  with squaring.  Can be difficult to track at low elevation  angles.  Technique employed in Trimble 4000SSi/SSE. • Z­tracking: Takes advantage of the fact that Y­code is the  modulo­2 sum of the P­code with a lower encryption rate.   Yields L1 and L2 Y­code pseudoranges and the full carrier  phases of L1 & L2.  This method yields the best SNR.   Multipath performance is better than other methods.  Technique employed in Ashtech Z­12 and micro­Z.  

 

AS Technologies Summary Table Ashtech Z­12 & µZ

Trimble 4000SSi  

 

From Ashjaee & Lorenz, 1992

Related Documents

Gps
April 2020 42
Gps
August 2019 56
Gps
May 2020 41
Gps
November 2019 55
Gps
May 2020 37
Gps
November 2019 41