Modernisering GPS
Het huidige GPS systeem is nog lang niet uit ontwikkeld. Mede onder druk van de komende concurrentie van het europese Galileo wordt het GPS systeem de komende jaren vergaand gemoderniseerd.
Image 
 
1. Waarom GPS moderniseren?
 
Hedendaags zijn er duidelijke zwakheden in het GPS systeem. Wat betreft stand-alone navigatiemetingen, hebben de civiele gebruikers in reële tijd slechts toegang tot de C/A-code op L1. Bijgevolg kunnen zij geen dubbel-frequentie ionosferische vertragingscorrecties maken. Daarnaast is het totale spectrum van de L1 en L2 signalen niet volledig beschermd en zijn de signalen vrij zwak (verzonken in de ruis). Zij kunnen ook niet in constructies van beton en staal van gebouwen doordringen ; ze kunnen ondergronds niet te ontvangen worden en ze zijn vatbaar voor interferenties en voor het blokkeren van het signaal. Bovendien veroorzaken de weerspiegelde signalen (meerwegsinterferenties) positiefouten. Om deze redenen is het duidelijk dat de modernisering nodig is. Deze bestaat uit de volgende verbeteringen:
 
  • Voor de militaire gebruiker : toevoeging van nieuwe signalen (M-code) met spectrale scheiding en een verhoogde signaalsterkte om de bescherming, de preventie en het behoud van het signaal te verbeteren.
  • Voor de civiele gebruiker : toevoeging van nieuwe signalen om de nauwkeurigheid, de beschikbaarheid en het behoud van het signaal te verbeteren. De civiele verbeteringen zouden ook een tweede civiele code bevatten die ionosferische correcties toelaat en een derde civiel signaal, in een beschermd spectrum, voor "safety of life" toepassingen ; dit signaal zou robuuster moeten zijn en een hogere nauwkeurigheid moeten leveren zodat het vooral voordelen zou geven voor toepassingen in reële tijd.
2. GPS modernisering

In 1996, besliste de Amerikaanse president dat hij het al dan niet desactiveren van Selective Availability (SA) voor het jaar 2000 zou herzien, met als bedoeling SA ten laatste in 2006 te desactiveren. Bovendien zouden zowel de L1 als L2 GPS signalen ter beschikking gesteld worden van ded civiele gebruikers en zou een nieuw civiel signaal van 10,23 MHz worden aangeboden. Om aan de behoeften van de luchtvaart te voldoen, zou een derde civiele frequentie, die L5 wordt genoemd, op 1176.45 MHz binnen in de radioband van de luchtvaart (Aeronautical Radio Navigation Services (ARNS)) beschikbaar zijn.

Een verscheidenheid aan andere verbeteringen werden in consideratie genomen, zoals een verhoogde signaalsterkte, de toevoeging van een nieuwe militaire code op de L1 en L2 frequenties, extra grondstations, meer uploads, en een verhoging van het aantal satellieten.

Deze beleidsinitiatieven hebben een dubbele behoefte, enerzijds beogen zij de nationale veiligheid te handhaven en anderzijds willen ze de groeiende industriële afhankelijkheid van GPS te ondersteunen. Deze dubbele behoefte werd ook weerspiegeld in het feit dat men tegelijkertijd besloot dat vanaf dan, op nationaal US niveau, het GPS beleid door de Interagency GPS Executive Board (IGEB) bepaald zou worden. De IGEB heeft, naast de stafhoofden van NASA, defensie en vervoer (de laatst twee zitten de raad voor), leden van het ministerie van handel, binnenland, staat, landbouw en justitie.

Op 30 maart 1998 kondigde een persmededeling van het Witte Huis,officieel aan dat een civiele code aan de GPS L2 frequentie zou worden toegevoegd. In plaats van de C/A-code te repliceren, zoals velen verwachtten, werd een echt gemodernizeerd L2 civiel (L2C) signaal ontworpen.

De eerste stap in de GPS modernisering werd gezet op 2 mei 2000 wanneer Selective Availability werd gedesactiveerd. Dit verbeterde de nauwkeurigheid van GPS voor stand-alone toepassingen tot 10 à 20 m. 

BLOCK2R satelliet BLOCK2F satelliet
Blok IIR satelliet('artistiek beeld') Blok IIF satelliet('artistiek beeld')

2.1 Modernisering van het blok IIR


Om de beschikbaarheid van zowel de militaire M-code op L1 en L2 en de civiele code L2C op L2 te versnellen, worden momenteel (zomer 2003) twaalf satellieten van het blok IIR gemoderniseerd in IIR-M. Het was echter niet haalbaar om ook L5 op deze gewijzigde satellieten beschikbaar te maken. Dat moet wachten op de IIF reeks. Zolang de twaalf satellieten van het type IIR-M hun levensduur niet bereikt hebben, zal L5 dus niet op elke satelliet beschikbaar zijn. 

De eerste lancering van een satelliet van het Blok IIR-M is voorzien in juli 2004. Deze satelliet en zal het nieuwe L2C signaal dragen, zoals alle verdere GPS satellieten. Het initieel operationeel vermogen (Initial Operational Capability= IOC - 18 behoorlijk geplaatste satellieten) wordt voorzien voor 2008, volledig operationeel vermogen (Full Operational Capability=FOC-24 satellieten) voor 2010. De blok IIR-M bevatten de volgende L1 verbeteringen: 

  • Een mogelijke verhoging van de signaalsterkte van de P(Y) en C/A-code ten opzichte van de huidige specificaties
  • Een militaire code
De blok IIR-M bevatten de volgende L2 verbeteringen:
  • Een mogelijke verhoging van de signaalsterkte van de P(Y) en C/A-code ten opzichte van huidige specificaties
  • Een militaire code
Dankzij de toevoeging van de tweede civiele L2C code zou, dankzij de ionosferische correcties, de nauwkeurigheid van het civiele stand-alone positie verbeteren tot ongeveer 5 à 10 meter.

Signaal/SV IIR IIR-M IIF
L1 C/A * * *
L1 P/Y * * *
L1 M   * *
L2 Civil   * *
L2 P/Y * * *
L2 M   * *
L5 Civil     *
Tabel: Beschikbaarheid van de nieuwe signalen
 
2.2 De modernisering van het blok IIF

De satellieten van het blok IIF zullen de vierde generatie van satellieten zijn en ze zullen gebruikt worden als onderhoudsaanvulling van de constellatie. Naast het L2C signaal op L2 en de M-Code op de L1 en L2 frequenties, zullen deze satellieten ook uitgerust worden met de nieuwe civiele code op de L5 frequentie (safety of life). L5 (bij 1176 MHz) zal voor het eerst op het Blok IIF zal geïntroduceerd worden. Het heeft de volgende kenmerken : 

1) Voorgesteld signaal voor verbeterde prestaties:
  • +6 dB hogere signaalsterkte ten opzichte van L1 (~154 dBW)
  • 20 MHz (minimum) uitzendbandbreedte
  • langere codes
  • hogere chipping rate
2) Gevestigd in de voor de luchtvaart speciaal ontworpen Radionavigatie frequentieband (ARNS)  met een extra bescherming tegen interferentie

3) Zal niet interfereren met de bestaande ground-based navigatiehulp in DME 'S band


De eerste lancering het Blok IIF is voorzien voor 2005. IOC wordt voorzien voor 2012; FOC voor 2015.

2.3 Modernisering van het controle segment

Sinds het jaar 2000, wordt ook het controle segment gemoderniseerd. Deze modernisering wordt geleid door Boeing, met de medewerking van Lockheed Martin et Computer Science cooperation. De voornaamste verbeteringen zullen de werkdruk van de operator en de operationele kosten verminderen. Ze zullen de volgende punten omvatten :
  • Upgraden van de controlestations en hun grondantennes met nieuwe digitale ontvangers en computers;
  • Vervangen van het hoofdcontrolestation door een gedecentraliseerde architectuur.
  • De volle capaciteiten van het Blok IIR toevoegen alsook het "Accuracy Improvement Initiatief" en "Air Force Satellite Control Network".
  • Bouwen van een volledig operationeel alternatief hoofdcontrolestation (Alternate Master Control Station (AMCS)) te Vandenberg. 
  • Toevoegen van de Blok IIF controle en commando functies.
2.4 GPS III
 

GPS III is het GPS systeem van de toekomst. Het GPS III programma beoogt betere observaties en architecturale oplossingen te leveren voor de huidige en de nog evoluerende militaire en civiele noden, die zowel de positiebepaling, navigatie en tijdsbepaling tot in 2030 ten goede zullen komen. 

De USAF (US Air Force) wil GPS III uitrusten met een verbeterd anti-jam vermogen door het toevoegen van twee nieuwe high-power spot bundels voor de militair code (M-Code) op de signalen L1 en L2 ( + 20dB vermogen op de M-Code). GPS III voorziet nog twee andere kanalen met civiele navigatiesignalen die een verbeterde positie, navigatie en tijdsbepaling in lokale, regionale en nationale "safety-of-live" toepassingen zou leveren. Om een betere wereldontvangst te bekomen, zou één van de nieuwe civiele signalen een groter vermogen hebben. Het lanceren van de eerste van deze nieuwe satellieten is gepland voor 2010, IOC wordt verwacht voor 2016 en FOC voor 2018. Dit zou een volledige constellatie garanderen die verondersteld wordt operationeel te blijven tot minstens 2030. 

3. De verbetering van de nauwkeurigheid
 
De kwaliteit van de stand-alone positiebepaling zal in de loop van de komende jaren enorm verbeteren. Vanaf het begin van GPS, kunnen wij de volgende nauwkeurigheid onderscheiden:
  • 20 - 100 m : gebruik makend van de C/A-code  met SA (voor mei 2002)
  • 10 - 20 m : nu, gebruik makend van de C/A zonder SA
  • 5 -10 m : tegen 2009, gebruik makend van de C/A-code en de L2C-code op L2, dankzij de dubbele frequentie ionosferische correctie
  • 1-5 m : tegen 2013, gebruikend makend van de C/A-code, de L2C-code op L2 en de extra civiele code L5

De verdere miniaturisatie zal het gebruik van de stand-alone GPS toelaten daar waar om praktische redenen DGPS niet kan worden gebruikt, b.v. handbediende navigatie voor blinden. 

Vanaf 2013, zal een positie met DGPS, die een standaardnauwkeurigheid van 1-5 m (met of zonder SA) heeft, vervangen worden door standaard stand-alone positiebepaling die dan een gelijkaardige nauwkeurigheid zal bieden. DGPS zal nochtans, nog noodzakelijk blijven voor de controle van de "safety-of-life" navigatiesystemen. Dankzij de modernisering zal de DGPS datastroom ook gereduceerd worden (b.v. na het desactiveren van SA, werd de DGPS update snelheid ongeveer twee grootteordes lager).

RTK toepassingen, die nu de C/A-code en de L1 en L2 draaggolven gebruiken, zullen voordeel halen uit de nieuwe L5 code. Zelfs wanneer nauwkeurigheden van slechts een paar cm worden vereist, zijn afstanden tot 100 km tussen het referentie station en de mobiele ontvanger dan mogelijk . Zodoende zal de kost van RTK dalen en zou een kosteloze nationale RTK kunnen worden geleverd hetgeen zal resulteren in een verhoogde verkoop van RTK eenheden.

Postprocessing onderzoek en wetenschappelijke toepassingen zullen hoofdzakelijk beïnvloed worden door het bestaan van een derde frequentie dankzij dewelke de tri-laning zal gebruikt kunnen worden om de gehele initiële fasemeerduidigheden op te lossen.

 

Bron: Koninklijke Sterrenwacht van België (2004).

 

 

Laatst aangepast op vrijdag, 02 februari 2007 11:25
 
TerraCaching en het TerraCaching logo zijn eigendom en copyright van TerraCaching, LLC en worden gebruikt met toestemming.