GPS erklärt

GPS

GPS steht für Global Positioning System, ein System zur Bestimmung der drei geozentrischen Koordinaten eines jeden Punktes auf der Erdoberfläche. In seiner Anwendung ermittelt ein GPS-Gerät nicht nur die Position, sondern auch die Geschwindigkeit relativ zur Erde, indem es sich den Dopplereffekt zunutze macht. Bei dieser Verwendung wird das GPS- Signal zu einer der Komponenten des GNSS (Global Navigation Satellite System) und ist das fortschrittlichste Funknavigationssystem für Schiffe, Flugzeuge und jedes andere bewegliche Objekt.

 

1. DAS NETZWERK von Satelliten

GPS wurde aus von den USA entwickelt. Die bisherigen Lokalisierungs- und Funknavigationssysteme erforderten das Vorhandensein von Sendestationen  am Boden. Später wurde ein System entwickelt, dass auf Funksignalen basiert, die von künstlichen Satelliten in der Erdumlaufbahn ausgestrahlt werden, und somit den gesamten Globus abdecken.

Zu jedem Zeitpunkt , in jedem Teil der Welt, musste es möglich sein, eine ausreichende Menge an Funksignalen zu empfangen, um die Position eines Punktes zu bestimmen. Das Endergebnis der Forschung und Umsetzung des GPS-Projekts führte zur Schaffung einer Konstellation von 24 Satelliten, die die Erde auf sechs verschiedenen, um 55° zur Polarachse geneigten Bahnebenen umkreisen, von denen jede den Äquator um 60° eines Längengrads schneidet (Abb. 2). Die Satelliten befinden sich auf einer Umlaufbahn mit einem Radius von etwa 26.600 km um die Erde, so dass sie eine Umlaufzeit von 11 Stunden und 58 Minuten haben. Die Satellitenkonstellation ist so konfiguriert, dass sich an jedem beliebigen Ort der Welt mindestens vier Satelliten  über dem lokalen Horizont befinden. Unter bestimmten Bedingungen sind bis zu acht Satelliten gleichzeitig von jedem Punkt der Erdoberfläche aus sichtbar.

 

2. Technische Beschreibung

Für die technische Beschreibung des GPS-Systems ist es notwendig zu unterscheiden zwischen der Satellitenausrüstung und Übertragungskanal.

2.1 Satellitenausrüstung

Jeder Satellit sendet ein Signal auf zwei Trägern, von denen der Hauptträger L1 (Frequenz 1575,42 MHz) und der Nebenträger L2 (Frequenz 1227,60 MHz) genannt wird. Diese Frequenzen werden von einer Basisfrequenz, die von Cäsium- und/oder Rubidium-Atomuhren erzeugt wird, gleich 10,299999545 MHz erhalten. Die Träger werden mit Pseudo-Random-Noise (PRN) Expanded-Spectrum-Codes moduliert. Alle Satelliten senden die gleichen zwei Trägerfrequenzen, aber die Signale stören sich aufgrund der Eigenschaften vom PRN-Codes nicht.

Das Mehrfachzugriffsverfahren ist daher vom Typ CDMA (Code-Division Multiple Access). Die Nennfrequenz hat einen Grundwert von 10,23 MHz und auch ihre Vielfachen L1 und L2 liegen auf dem Grundwert 154 und 120 mal 10,23 MHz. Die Codes werden mit den Daten durch ein exklusives ODER (➔ XOR) verknüpft und danach kombiniert ein Modulator, in Phase und Quadratur auf Kanal L1 und nur in Phase auf Kanal L2, den Träger mit den Daten für die anschließende Übertragung. Das so zusammengesetzte Signal wird von der Satellitenantenne abgestrahlt.

 

2.2 Der Übertragungskanal

Das Signal  durchquert auf seinem Weg die Erdatmosphäre. Die Ionosphäre und die Troposphäre, die teilweise die Ausbreitungsparameter beeinflussen können. Die Ionosphäre (bezogen auf eine Höhe zwischen 75 und 500 km) beeinflusst das GPS-Signal hauptsächlich auf zwei Arten. Ein erster Effekt ist die Kombination aus der Gruppenlaufzeit und des Phasenvorlauf auf dem Träger, die beide vom Weg der Welle abhängig sind. Ein zweiter Effekt geht von Szintillationen aus, die schnelle Fluktuationen in der Amplitude und Phase des Signals verursacht. Die Troposphäre (zwischen 12 und 20 km Höhe) hat einen Brechungsindex, der mit der Höhe variiert: Ist  der Index etwas größer als eins liegt eine Gruppenverzögerung des Signals vor. Der troposphärische Bereich ist im Gegensatz zum ionosphärischen Bereich nicht ionisiert und nicht dispersiv, d.h. die Gruppenlaufzeit hängt nicht von der Frequenz der durchlaufenden Welle ab. Um den Empfänger zu erreichen, kann das Signal mehrere Wege nehmen, von denen der Hauptweg in der Regel in Sichtweite des Senders verläuft (LOS). Die Nebenwege werden von der gleichen Welle gebildet, die nach Reflexionen des Empfänger mit einer  Dämpfung und Phasenverschiebung den Hauptträger erreichen. Dieses als Mehrweg bezeichnete Phänomen erzeugt aufgrund der inkohärenten Überlagerung der unterschiedlichen Amplituden- und Phasenbeiträge der einzelnen Pfade Interferenzen in der Empfangsantenne. In einigen Fällen kann dies dazu führen, dass das ursprüngliche Signal nicht wiederhergestellt werden kann.