GPS-System
2009-03-14

...Fortsetzung der Seite: Ausgesendete Signale

 

Aufbau des Datensignals

Zusätzlich zum C/A-Code wird mit 50 bit/s die Navigationsnachricht in das L1-Signal mit hineinmoduliert. Sie besteht aus einem 50 Hz Signal und enthält Daten wie die Satellitenbahnen, Uhrenkorrekturen und andere Systemparameter (z.B. den Status der Satelliten, also ob in Ordnung oder fehlerhaft). Diese Daten werden ständig von jedem Satelliten übermittelt und daraus erhält der GPS-Empfänger sein Datum, die ungefähre Uhrzeit und die Positionen der Satelliten.

Das vollständige Datensignal besteht aus 37500 bit und es dauert demnach bei einer Übertragungsgeschwindigkeit von 50 bit/s ganze 12,5 Minuten bis es vollständig übertragen ist. Diese Zeit benötigt ein GPS-Empfänger bis zur ersten Positionsbestimmung wenn er noch keine Daten über die Satelliten gespeichert hat oder diese veraltet sind.
Das Datensignal ist in 25 Blöcke (frames) unterteilt, die jeweils 1500 bit lang sind und 30 Sekunden zur Übertragung brauchen.

 Struktur der GPS-Navigationsdaten eines "frames"
Struktur der GPS-Navigationsdaten

Diese Blöcke sind wiederum in Teilblöcke (subframes) unterteilt (300 bit; 6 sec.), welche ihrerseits in je 10 Worte (word) untergliedert (30 bit; 0,6 sec.) sind. Das erste Wort jedes Teilblocks ist das TLM (telemetry word). Es enthält Informationen zur Aktualität der Ephemeridendaten. Darauf folgt das HOW (hand over word), welches die Anzahl der gezählten Z-Epochen enthält. Diese Daten beinhalten die Zeit seit dem letzten "Neustart" der GPS-Zeit vom jeweils vorherigen Sonntag 0:00 Uhr. Da das Signal des P-Codes eine Woche lang ist, dient dieses HOW militärischen Empfängern dazu, den "Einstieg" in den P-Code zu finden.

Die restlichen Daten des ersten Teilblocks enthalten Daten zum Zustand und Genauigkeit des sendenden Satelliten sowie Uhrenkorrekturwerte. Der zweite und dritte Teilblock enthält Parameter der Ephemeriden. Die Teilblöcke 4 und 5 schliesslich beinhalten die sogenannten Almanachdaten, die in vereinfachter Form Informationen über die Bahnparameter aller Satelliten, deren technischen Zustand und ihre momentane Konfiguration, Identifikationsnummer usw. enthalten. Teilblock 4 enthält die Daten für die Satelliten 25 - 32, Ionosphärenkorrekturdaten, spezielle Nachrichten sowie UTC Zeitinformationen, Teilblock 5 enthält die Almanachdaten für die Satelliten 1 - 24 sowie Zeit und GPS-Wochennummer.

Die ersten drei Teilblöcke sind bei allen 25 Blöcken gleich, womit alle 30 Sekunden die wichtigsten Daten zur Positionsbestimmung übermittelt werden. Aus den Almanachdaten kann der GPS-Empfänger ersehen, welche Satelliten an der momentanen Position zu erwarten sind und beschränkt seine Suche auf diese. Damit kann eine schnellere Positionsbestimmung erreicht werden.

Wir hatten gesehen, dass das Datensignal Korrekturparameter für die Satellitenuhren enthält. Warum wird das benötigt, wo die Atomuhren doch so hochgenau sind?

Jeder Satellit besitzt mehrere Atomuhren und damit eine sehr exakte Zeit. Die Atomuhren der einzelnen Satelliten werden allerdings nicht auf die GPS Referenz-Zeit abgeglichen, sondern laufen völlig frei. Aus diesem Grund werden Korrekturparameter für die Uhr jedes einzelnen Satelliten benötigt. Die GPS Referenz-Zeit unterscheidet sich zudem von der UTC-Zeit (oder Weltzeit), welche regelmäßig der Erddrehung angepaßt wird (Schaltsekunden).

Wenn ein Satellit die Signale nicht korrekt übermittelt oder in seiner Umlaufbahn instabil ist, kann er von der Kontrollstation als "ungesund" gekennzeichnet werden. Diese Informaiton wird im Datensignal mit übertragen und ein guter Empfänger wird diesen Satelliten aus den Berechnungen ausklammern. Ein typischer Grund, warum ein Satellit als "ungesund" gekennzeichnet wird ist, dass seine Position korrigiert werden muss. Für diese Veränderung werden die Triebwerke gezündet und wenn der Satellit in seiner neuen Umlaufbahn ist, dauert es noch einige Zeit, während der er als "ungesund" gekennzeichnet wird, bis die neue Umlaufbahn stabilisiert hat.

Die Speicherung der Ephemeriden- und Almanach-Daten im GPS-Empfänger führt dazu, daß es ja nachdem, wie lange ein GPS-Gerät keinen Empfang hatte, unterschiedlich lange dauert, bis die erste Positionsbestimmung verfügbar ist.

War der Empfang der Signale lediglich kuru unterbrochen (z.B. Tunnelfahrt, Wald) so spricht man von Wiedererfassung (engl. reaquisition). Dies dauert nur sehr wenige Sekunden.

Von einem Heisstart (Hot Start) spricht man, wenn Position und Uhrzeit bekannt sind, die Almanach-Daten und die Ephemeriden-Daten aktuell sind. Dieser Fall tritt ein, wenn das Gerät innerhalb der letzten 2 - 6 Stunden am etwa gleichen Ort eine Positionsbestimmung durchgeführt hat. Dabei dauert es etwa 15 Sekunden, bis eine Positionsbestimmung (engl. position fix) verfügbar ist.

Wenn die letzte Position bekannt ist, das Almanach vorhanden und die Uhrzeit im Empfänger stimmt aber die Ephemeriden veraltet sind, spricht man von einem Warmstart (Warm Start). Dabei müssen nur die Ephemeridendaten aktualisiert werden und es dauert etwa 45 Sekunden bis einen Positionsbestimmung verfügbar ist. Die Ephemeriden sind veraltet, wenn mehr als etwa 2 - 6 Stunden seit dem letzten Empfang von Daten zu den momentan sichtbaren Satelliten vergangen sind. Je mehr andere Satelliten seit dem letzten Einschalten am Himmel stehen desto länger dauert der Warmstart.

Sind weder Ephemeriden, noch Almanach-Daten noch die letzte Position bekannt, spricht man von einem Kaltstart (Cold Start). Es müssen zunächst alle Almanach-Daten der Satelliten abgewartet werden, was bis zu 12,5 Minuten dauern kann. Das gleiche Verhalten zeigen die Empfänger, wenn sie längere Zeit (Wochen) ausgeschaltet waren, ohne Batterie gelagert wurden oder mehr als etwa 300 km seit dem letzten Positionsfix bewegt wurde. Im letzten Fall müssen natürlich keine Daten abgewartet werden, aber da die Position sich so stark verändert hat, dass die "falschen" Satelliten am Himmel stehen, muss der Empfänger zunächst "blind" alle Satelliten suchen. Bei vielen Geräten lässt sich durch Eingabe des Datums und der ungefähren Position die benötigte Zeit für den Kaltstart verkürzen.

Wer jetzt alles noch ganz genau wissen will, sieht am besten hier nach (englisch).