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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-
Funktionsprinzip 12 Code erfolgt mittels EXOR. Das dabei entstehende, modulierte Signal wird auf den Träger L1 multipliziert. Abb. 3.6: Vereinfachte Darstellung des Satellitensignals [1] Abb. 3.7: Zeitdiagramm der einzelnen Signale [1] Die Speicherung der Ephemeriden- und Almanachdaten im GPS-Empfänger führt dazu, dass Empfänger, die für nicht sehr lange , d.h. nicht gerade für Wochen ausgeschaltet waren, nur kurze Zeit für eine Positionsbestimmung benötigen. Sind die im Empfänger gespeicherten Almanach- und Ephemeridendaten aktuell, so spricht man beim Einschalten des Geräts von einem "Warmstart", die Positionsbestimmung dauert lediglich ca. 15 Sekunden. Sind die Ephemeriden veraltet, spricht man von einem "Kaltstart". Hierbei dauert es etwa 45 Sekunden bis zur ersten Positionsbestimmung. Sind die Almanachdaten veraltet, was passiert, wenn der Empfänger für einige Wochen ausgeschaltet war, so muss zunächst die Übertragung der Almanach Daten abgewartet werden, um entscheiden zu können, welche Satelliten empfangen werden können. Dies dauert bis zu 10 Minuten. Wurde die Position des Empfängers in ausgeschaltetem Zustand um mehr als 300 km verändert, so stimmen die "sichtbaren" Satelliten nicht mehr mit den Satelliten überein, die vom Empfänger erwartet werden, der ja noch von der alten Position ausgeht, weshalb auch hier die Zeit bis zur ersten Positionsbestimmung länger dauert.
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