GPS-System
2008-02-13

Ausgesendete GPS-Signale

Die Art, wie mit Hilfe des GPS-Systems Positionen bestimmt werden und auch deren Genauigkeit hängt in hohem Maße von den von den Satelliten ausgesendeten Signalen ab. Es gibt eine ganze Reihe von Kriterien, die in die Entwicklung der Signalstruktur eingeflossen sind. Als Folge davon ist das GPS Signal relativ komplex und bietet folgende Möglichkeiten: Ein-Weg (passive) Positionsbestimmung, genaue Entfernungs- und Geschwindigkeitsbestimmungen (Doppler-Effekt), Aussenden einer Navigations-Nachricht, simultane Erfassung mehrerer Satellitensignale, Bereitstellung von Korrekturen für die ionosphärische Verzögerung der Signale und Störungsunempfindlichkeit gegenüber Interferenzen und Mehrwegeffekte. Um allen diesen Forderungen Genüge zu tun wurde die nachfolgend beschriebene Signalstruktur entwickelt.

 

Wahl der Trägerfrequenzen

Um die Datensignale zu transportieren wird zunächst eine geeignete Trägerfrequenz benötigt. Die Auswahl dieser Trägerfrequenz ist bestimmten Bedingungen unterworfen:

  • Die Frequenz sollten unter 2 GHz gewählt werden, da Frequenzen darüber den Einsatz von Richtantennen in der Empfangseinheit erforderlich machen würden.
  • Ionosphärische Verzögerungen sind in den Frequenzbereichen kleiner 100 MHz und größer 10 GHz enorm hoch.
  • Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen weicht bei Ausbreitung in Medien (also z.B. in Luft) umso stärker von der Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) ab, je tiefer die Frequenz ist. Dies würde bei sehr tiefen Frequenzen wiederum die Laufzeitberechnungen nachteilig beeinflussen.
  • Die PRN-Codes benötigen eine große Bandbreite für die Code-Modulierung auf die Trägerfrequenz, es musste also ein entsprechender Bereich hoher Frequenz und mit Möglichkeit zu großer Bandbreite gewählt werden.
  • Die gewählte Frequenz sollte in einem Bereich liegen, in dem die Signalausbreitung nicht durch Wetterphänomene (Wolken, Regen, Schnee usw.) bestört wird.

Aus diesen Überlegungen heraus hat sich die Wahl von gleichzeitig zwei Frequenzen als besonders geeignet herausgestellt, weshalb jeder der GPS-Satelliten zwei Trägersignale im Mikrowellenbereich überträgt, die als L1 und L2 bezeichnet werden (Die Bezeichnung L weist auf die Frequenz hin, die im L-Band liegt (L-Band: 1000 - 2000 MHz). Zivile GPS-Empfänger verwenden die L1-Frequenz mit 1575,42 MHz (Wellenlänge: 19,05 cm) (L2 - Frequenz: 1227.60 MHz; Wellenlänge: 24,45 cm). Die L1-Frequenz trägt sowohl die Navigationsdaten als auch den SPS code (standard positioning code - Standard-Positionsbestimmungscode). Die L2 Frequenz trägt nur den P-Code und wird nur von Empfängern die für den PPS (precision positioning code) vorgesehen sind (Zweifrequenz-Geräte, meist militärische Empfänger) verwendet.

 

Modulation der Trägersignale

C/A und P-Code

Die Trägerphasen werden durch drei unterschiedliche Binärcodes moduliert, zum einen dem C/A code (coarse aquisition, grobe Bestimmung). Dieser Code ist ein 1023 "chip" langer Code, der mit einer Frequenz von 1,023 Mhz übertragen wird. Ein "chip" ist im Prinzip das gleiche wie "bit", also eine Eins oder eine Null, der Begriff "chip" wird jedoch hier deshalb verwendet, da das Signal keine Information trägt. Durch diesen Code wird das Trägersignal moduliert und dadurch auf eine Bandbreite der Hauptkeule (also des stärksten Signals) von 2 MHz (P-Code auf L2: 20 MHz) ausgebreitet (Spread spectrum), was die Störungsanfälligkeit verringert. Der C/A Code ist ein pseudozufälliger Code (PRN - pseudo random code), der wie zufällig aussieht, jedoch für jeden der Satelliten eindeutig festgelegt ist. Er wiederholt sich nach jeweils 1023 bit oder einer Millisekunde. Pro Sekunde werden damit also 1 023 000 chips generiert, wodurch sich mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit die "Länge" eines "chips" auf 300 m berechnet.

 

PRN-Nummern

Häufig werden die Satelliten vom Empfänger über PRN-Nummern identifiziert. Hierbei erhalten echte GPS-Satelliten Nummern von 1 - 32. WAAS/EGNOS-Satelliten und andere Pseudolites erhalten Werte darüber (siehe auch hier). Diese PRN-Nummern der Satelliten sind meist auf der Satellitenanzeigeseite des GPS-Empfängers wiederzufinden. Zur Vereinfachung des Satellitennetzwerks sind 32 verschiedene PRN Nummern zur Zuordnung für Satelliten vorhanden, obwohl nur 24 Satelliten für das System nötig würden und zunächst auch geplant waren. Seit längerem sind aber mehr als 24 Satelliten gleichzeitig aktiv, was die Verfügbarkeit, Ausfallsicherheit und Genauigkeit erhöht. Dadurch, dass mehr Nummern als Satelliten verfügbar sind, kann ein Ersatzsatellit gestartet und aktiviert werden, bevor der zu ersetzende Satellit tatsächlich ausfällt oder abgeschaltet wird. Für diesen Satelliten wird dann einfach eine der zusätzlichen Nummern verwendet.

Die erwähnten PRN-Codes sind nur scheinbar zufällig. Wären sie wirklich zufällig, so gäbe es 21023 verschiedene Möglichkeiten für den PRN-Code. Von diesen eignen sich jedoch nur sehr wenige für die Kreuz/Autokorrelation, die zur Laufzeitmessung benötigt wird (siehe Kapitel über die Entfernungsmessung hier). Diese 37 geeigneten Codes werden als GOLD-Codes bezeichnet (nach einem Mathematiker benannt). Bei diesen GOLD-Codes ist die Korrelation untereinander besonders schwach, wodurch eine eindeutige Identifikation ermöglicht wird.

Der C/A Code ist die Basis für alle zivilen GPS-Empfänger.
Der P Code (precise) moduliert sowohl die L1, als auch die L2 Trägerfrequenz und ist ein sehr langer 10,23 MHz Pseudozufallscode (sieben Tage werden verwendet, der Code selbst wäre aber 266 Tage lang).
Zur Absicherung gegen mögliche Störsignale eines Feindes verfügt der P-Code die Möglichkeit verschlüsselt übertragen zu werden. In diesem Anti-Spoofing (AS) Betrieb (manipulationssicherer Betrieb) wird der P-Code in einen Y-Code verschlüsselt. Der verschlüsselte Code benötigt ein spezielles AS-Modul für jeden Empfängerkanal und ist nur für autorisiertes Personal mit speziellem Schlüssel zugänglich. Der P bzw. Y Code sind die Basis für die präzise (militärische) Positionsbestimmung. Seit 31. Januar 1994 ist das AS-System in Betrieb und der P-Code wird nur verschlüsselt als Y-Code ausgesendet.

 

Übertragung der Daten

Im GPS-System werden die Daten durch Phasenmodulation auf das Trägersignal aufmoduliert. Diese Phasenmodulation dürfte im Gegensatz zu Amplitudenmodulation (AM) und Frequenzmodulation (FM) relativ unbekannt sein. Diese drei Arten der Modulation eines Trägersignals sollen deshalb kurz erläutert werden.

 

Amplitudenmodulation

Bei der Amplitudenmodulation wird, wie der Name schon sagt, die Amplitude, also die Stärke des Signals entsprechend dem anliegenden Datensignal verändert. Wendet man das Prinzip auf Schallwellen an, würde das heissen, man ändert die Lautstärke eines Tons, um so Daten zu übertragen. Mit zunehmender Abschwächung des Signals wird es immer schwieriger, die Daten aus dem Signal herauszufiltern. Diese Art der Modulation ist vom Mittelwellenradio her bekannt.

 

Frequenzmodulation

Bei Frequenzmodulation wird die Trägerfrequenz selbst durch Aufmodulieren des Datensignals verändert. Mit dem Beispiel der Schallwellen würde man also durch ändern der Tonhöhe bei konstanter Lautstärke Daten übertragen. Frequenzmodulierte Signale sind weniger anfällig gegen Störungen. Diese Art der Modulation ist vom UKW-Radio (FM) bekannt.

Phasenmodulation

Bei der Phasenmodulation wird bei Änderung des Datensignals die Sinusschwingung des Trägersignals abgebrochen und mit einer Phasenverschiebung von z.B. 180° (also einer halben Welle) wieder aufgenommen. Das Trägersignal kommt sozusagen aus dem Tritt. Diese Phasenverscheibung kann von einem geeigneten Empfänger erkannt und die Daten wieder extrahiert werden. Phasenmodulation führt zu einer Verbreiterung (spread spectrum) des Frequenzbereichs der Trägersignals. Dies sieht man in obigem Bild z.B. daran, dass bei einem Wechsel der Phase viel schneller "Wellenberge" oder "Wellentäler" aufeinanderfolgen als im ursprünglichen Trägersignal. Diese Art der Modulation eignet sich nur zur Übertragung von digitalen Daten.

Folgende Grafik zeigt die Zusammensetzung der von GPS-Satelliten ausgesendeten Signale. Der Aufbau der NAV/System Daten wird im Kapitel Datensignalaufbau beschrieben.

 Zusammensetzung der Signale der GPS Satelliten (nach Peter H. Dana; mit freundlicher Genehmigung)
Zusammensetzung der Signale der GPS Satelliten

Hinweis: Bei einer Modulo 2 Sum wird eine bitweise Addition durchgeführt, ein Übertrag jedoch ignoert. Dies entspricht einem bitweisen XOR.

A B A xor B
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0