GPS Global Positioning System - niklausburren.ch

Funktionsprinzip 11
3.1.6. Die Signale der Satelliten
Jeder der GPS-Satelliten überträgt zwei Trägersignale im Mikrowellenbereich, deren
Bezeichnungen L1 und L2 sind (die Bezeichnung L1 und L2 weist auf die Frequenz hin,
die im L-Band, d.h. im Bereich von 1000 bis 2000 MHz liegt). Zivile GPS-Empfänger
verwenden vorwiegend die L1-Frequenz mit 1575,42 MHz. Die L2-Frequenz mit 1227,60
MHz dient ausschließlich militärischen Zwecken. Die neuste Generation Satelliten werden
die Möglichkeit einer weiteren Frequenz für zivile Anwendungen haben. Die Frequenzen
L1 und L2 sind ganzzahlige Vielfache der Resonanzfrequenz einer der vier in den Satelliten
eingebauten Atomuhren. Diese Resonanzfrequenz beträgt f0=10,23 MHz. Die Gründe
für die Wahl gerade dieser Trägerfrequenzen sind folgende:
• Die Frequenzen sollten 2 MHz nicht übersteigen, da sonst Richtantennen in den Empfängern
notwendig wären.
• Ionosphärische Verzögerungen sind in den Bereichen kleiner 100 MHz und grösser 1
GHz enorm hoch.
• Elektromagnetische Wellen weichen in ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit umso stärker
von der Lichtgeschwindigkeit ab, je kleiner die Frequenz ist. Dies würde die Laufzeitberechnungen
negativ beeinflussen.
Drei unterschiedliche Binärcodes modulieren die beiden Trägerfrequenzen L1 und L2.
Der C/A-Code (coarse aquisition, grobe Bestimmung) ist ein 1023 „chip“ langer Code,
wobei ein „chip“ dasselbe ist wie ein Bit, also eine Eins oder eine Null. Der Begriff „chip“
wird in diesem Fall verwendet, weil das Signal noch keine Information trägt. Der C/A-
Code ist ein Pseudozufälliger Code (PRN – pseudo random noise), der wie zufällig aussieht,
jedoch für jeden Satelliten eindeutig festgelegt ist. Die Empfänger identifizieren die
Satelliten mit diesen PRN-Nummern. Insgesamt existieren 32 dieser PRN-Nummern,
obwohl die im All vorhandenen GPS-Satelliten nur 24 benötigen. Die restlichen Identifikationsnummern
dienen als Reserve. Dies ermöglicht den Start und die Aktivierung eines
Ersatzsatelliten, bevor der zu ersetzenden Satellit tatsächlich ausfällt. Der C/A Code ist
Basis für alle zivilen GPS-Empfänger.
Der P-Code (Pricise-Code) ist aufgrund seiner detaillierten Information wesentlich länger
als der C/A-Code. Im Gegensatz zum C/A-Code, der nur auf L1 aufmoduliert ist, wird der
P-Code auf den Trägerwellen L1 und L2 geführt. Dies bringt den Vorteil, dass sich einige
Fehlereinflüsse beheben lassen. Somit ist der P-Code wesentlich genauer als der C/A-
Code. Aufgrund dessen haben die Netzbetreiber diesen Code nicht für jedermann zugänglich
gemacht, d.h. er ist verschlüsselt.
Die eigentliche Navigationsnachricht ist ein den Trägerfrequenzen aufmoduliertes 50 Hz
Signal oder anders gesagt ein kontinuierlicher Datenstrom von 50 Bit pro Sekunde.
Grundsätzlich unterscheidet man innerhalb der Navigationsnachricht zwischen Ephemeriden-
und Almanach-Daten. Ephemeridendaten enthalten hochpräzise Angaben über die
Umlaufbahn des Satelliten, von welchem die Nachricht stammt. Almanachinformationen
beschreiben angenäherte Bahndaten aller anderen Satelliten. Weiter beinhaltet die Navigationsnachricht
die Systemzeit, d.h. die genaue Zeit der im Satelliten eingebauten Atomuhren,
Zeitkorrekturparameter sowie Informationen über den allgemeinen Systemzustand.
Abb. 3.6 und Abb. 3.7 zeigen die einzelnen Bestandteile des Satellitensignals basierend
auf der L1-Trägerfrequenz. Die logische Verknüpfung des Datensignals mit dem C/A-