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GNSS - Globale Navigations-satellitensysteme

Inhaltsverzeichnis

3. Die globalen Satellitensysteme

3.2. GPS

Das GPS (eigentlich NAVigation System with Timing And Ranging Global Positioning System = NAVSTAR-GPS) ist das Nachfolgesystem vom zuvor beschriebenen TRANSIT. Mit GPS sollte eine wesentlich höhere Genauigkeit der Positionierung möglich werden. Die höchst mögliche Genauigkeit des PPS (Precise Positioning Service) ist allerdings militärischen Anwendungen und speziell autorisierten Stellen vorbehalten. Ein ziviles Signal (SPS = Standard Positioning Service) ist zwar frei nutzbar, war aber bis zum 2. Mai 2000 künstlich verfälscht (SA = Selective Availability), was die Nutzbarkeit erheblich einschränkte.
Da GPS ursprünglich hauptsächlich eine militärische Verwendung finden sollte, ist natürlich auch das ganze System dem US-amerikanischen Verteidigungsministerium (DoD = Department of Defence)) unterstellt. Die Zielsetzung des Systems war es eine dreidimensionale Positionierung (geographische Breite, Länge und Höhe) im Millimeterbereich zu ermöglichen und die genaue Zeit (UTC = Universal Time Coordinated) mit einigen Nanosekunden Toleranz weltweit zugänglich zu machen. Das zivile SPS-Signal hatte ursprünglich eine Genauigkeit von ca. 40-60m. Nach dem Abschalten der SA stieg sie auf ca. 2,5-4m. Erst das Abschalten der SA brachte eine Unzahl an neuen Anwendungen hervor und schaffte einen Milliarden-Markt. Mittlerweile sind in fast allen Kraftfahrzeugen und Haushalten GPS-Geräte zu finden.

3.2.1. Struktur des GPS

Das grundlegende GPS-System besteht aus drei Segmenten:

  • Weltraumsegment
  • Kontrollsegment
  • Benutzersegment
Abb. 3.03: Die Struktur des GPS-Systems
Abb. 3.03: Die Struktur des GPS-Systems

Das Weltraumsegment besteht aus Satelliten, die die Erde umlaufen und  die GPS-Signale senden. Die Anzahl der Satelliten ändert sich regelmäßig. Ältere oder defekte Satelliten werden abgeschaltet und durch neue ersetzt. Der vollständige GPS-Dienst benötigt 24 GPS Satelliten, der Maximalausbau des System kann bis zu 32 aktiven Satelliten umfassen.

Das Kontrollsegment des Systems bestand ursprünglich aus fünf Bodenstationen, wird aber zur Zeit auf achtzehn Stationen weltweit ausgebaut. Diese Bodenstationen überwachen und steuern das gesamte System. Sie berechnen die Positionen und die Fehler der Uhren von Satelliten. Navigationsdaten und Korrekturdaten werden an die Satelliten zurückgesendet. Die Hauptkontrollstation befindet sich in Colorado Springs in den USA.

Das dritte Segment des Systems sind die Nutzer. Man kann zwei Gruppen unterscheiden: das amerikanische Militär (und deren Verbündeten) und zivile Anwender. Erstere haben das so genannte PPS- (Precise Positioning Service = präzise Positionsbestimmung)  zur Verfügung, die zweiten dürfen/können lediglich das SPS- (Standard Positioning Service = normale Positionsbestimmung) nutzen. Diese zwei Standards erzielen unterschiedliche Genauigkeiten bei der bestimmten Position.

3.2.1.1. Das GPS-Weltraumsegment

3.2.1.1.1. Satellitenbahnen

Das GPS-Weltraumsegment umfasst alle funktionstüchtigen Satelliten des Systems. Dieses  besteht aus mindestens aktiven 24 Satelliten (plus mehreren zusätzlichen Reserve-Satelliten), die in sechs Bahnebenen in einer Höhe von ca. 20180 km über Grund die Erde umkreisen.

Abb. 3.04: GPS-Konstellation
Abb. 3.04: GPS-Konstellation [2]

In jeder Bahnebene befinden sich mindestens vier Satelliten. Die Inklination der Bahnen gegenüber dem Äquator beträgt 55°. Jeder Satellit umkreist die Erde zweimal am Tag ( ein siderischer Tag ("Sternentag") dauert 23 Stunden 56 Minuten und 6 Sekunden). Diese Konstellation der Satelliten gewährleistet, dass auf jedem Punkt der Erde immer mindestens fünf Satelliten über dem Horizont sichtbar sind und deren Funksignale empfangen werden können.
Tatsächlich befinden sich aber über 30 Satelliten (Frühjahr 2015: 31+1) im Orbit. Somit sind zu jeder Zeit mindestens 8 Satelliten empfangbar, was auch bei ungünstigen Satellitenkonstellationen immer eine höhe Positionierungsgenauigkeit sichert.

3.2.1.1.2. Satelliten

Die ersten elf GPS-Satelliten, auch Block I (Navstar-1) genannt, wurden 1978 bis 1985 von der Vandenburg Air Force Base in Kalifornien mit Atlas E/F Trägerraketen gestartet und in ihren Umlaufbahnen positioniert. Die Satelliten wurden von Rockwell International entwickelt und sollten das generelle Konzept und die Machbarkeit des GPS beweisen.
Die Block-1-Satelliten wogen ca. 850 kg und waren auf eine Betriebszeit von 4,5 Jahren ausgelegt. Die meisten von ihnen waren aber mehr als doppelt so lang funktionsfähig. An Bord der Satelliten befanden sich eine Cäsium-Atomuhr und  drei Rubidium-Atomuhren als Zeitnormale. Die Energieversorgung erfolgte über zwei Solarpanels mit einer Gesamtleistung von 400 W. Als Pufferspeicher dienten NiCd-Zellen. Die Spannweite eines Satelliten betrug 5,30 Meter. Die Stabilisierung (Lagekorrekturen) erfolgte mit elektrisch gebremsten Schwungrädern (Reaction Wheels). Kurskorrekturen wurden mit hydrazingespeisten Antriebsdüsen vorgenommen. Jeder Block 1-Satellit kostete ca. 20 Mio. $. Sendefrequenzen: L1 und L2

Abb. 3.06: Navstar-IIA
Abb. 3.06: Navstar-IIA [3]

Die Satelliten des Block-II (Navstar-2) waren die ersten des geplanten operationellen GPS-Systems. Der erste von neun Satelliten dieser Serie wurde im Februar 1989 gestartet, der letzte im Oktober 1990. Der letzte Block-II-Satellit wurde erst 2007 außer Betrieb genommen. Navstar-2-Satelliten waren so ausgelegt, dass sie zwei Wochen ohne Kontakt mit einer Kontrollstation operieren konnten. Sie wogen ca. 1660 kg und hatten eine Spannweite von 5,30 Meter.
Eine verbesserte Variante folgt ab November 1990 bis Novenber 1997 als Block-IIA (= Advanced). Diese Satelliten wiegen 1816 kg. Die 19 Satelliten dieser Serie können 180 Tage ohne Kontakt mit dem Kontrollsegment operieren.  Eine Anzahl von BlockII-A-Satelliten ist immer noch (im Frühjahr 2011) in Betrieb. Sendefrequenzen: L1 und L2
Die Satelliten der Reihen II und IIA sind jeweils mit zwei Rubidium- und zwei Cäsium-Atomuhren (Stabilität >10-13 s) ausgerüstet, wobei allerdings immer nur eine in Betrieb ist. Die beiden Solarpanel liefern 710 W. Die Lebensdauer ist auf 7,5 Jahre ausgelegt. Alle Satelliten sind mit Messsensoren bestückt, die nukleare Explosionen detektieren konnten. Einige Satelliten sind mit Laserreflektoren ausgestattet, mit deren Hilfe eine Bahnverfolgung und Bahnvermessung unabhängig von den abgestrahlten Funksignalen möglich ist. So können mehrdeutige Uhren- und Ephemeridenfehler geklärt werden. Sendefrequenzen: L1 und L2
Die Kosten eines Satelliten beliefen sich auf 50 Mio. $ für Block-II-Satelliten und 40 Mio. $ für Block-IIA-Satelliten. Die schweren Satelliten der Blocks II und IIA wurden alle von Cape Canaveral mit Delta-Trägerraketen gestartet.

Abb.3.07: GPS IIR-M (Quelle: Lockheed Martin)
Abb.3.07: GPS IIR-M [3]

Die dritte Generation der Block-II-Satelliten, Navstar-2R (R = Replenishment = Ergänzung) genannt, wurden von September 2005 bis August 2009 ins All gebracht. Die Block-IIR-Satelliten beruhen auf einem kommerziellen Satelliten-Bussystem von Lockheed Marietta und zeichnen sich durch eine höhere Navigationsgenauigkeit und eine längere autonome Betriebszeit aus. An Bord sind jeweils drei Rubidium Atomuhren. Die Block-IIR-Satelliten können untereinander kommunizieren, sind reprogrammierbar und gegen Strahlung gehärtet. Die Kosten für die Satelliten des Blocks-IIR lagen ca. ein Drittel unter den der Block-IIA-Satelliten.
Sendefrequenzen: L1, L2
Die letzen zwölf Satelliten des Blocks IIR wurden so modifiziert, dass sich auch die neuen Codes M und L2C abstrahlen können.
Die vierte Generation der Block-II-Satelliten stellen die Navstar-IIF des Blocks IIF dar. Diese Satelliten werden von Boeing gebaut und wiegen ca. 1.630 kg. An Bord sind eine Cäsium- und zwei Rubidium-Atomuhren. Sie sollen die Block-IIA-Satelliten ersetzen. Der erste Satellit ist im Mai 2010 gestartet worden. Dank verbesserter Trägerraketen (DeltaIV-M+) benötigen die Block-IIF-Satelliten keinen Apogäumsmotor mehr um in die endgültige Umlaufbahn zu gelangen. Die Genauigkeit des abgestrahlten Signal soll doppelt so hoch wie das der Vorgängertypen sein.
 Die Lebensdauer der Block-IIF-Satelliten soll über zwölf Jahre betragen.

Abb. 3.08: GPS IIIA
Abb. 3.08: GPS IIIA [3]

Seit 2014 wird, über eine Zeitspanne von 14 Jahren hinweg,  eine komplett neu entwickelte Generation von GPS-Satelliten in Dienst gestellt. Die von Lockheed-Martin gebauten GPS-III-Satelliten sind dreimal genauer und dreimal stärker als die der Vorgängergeneration sein. Zudem sind die Signale störsicherer werden und regional abschaltbar gemacht. Eine neue zivile Signalfrequenz (L1C) soll interoperabel mit anderen Satellitennavigationssystemen (z.B. GALILEO) sein.  Die Kosten für die ersten acht Satelliten (Block-IIIA) belaufen sich auf 1,4 Mrd. $. Zwei weitere Blöcke mit weiteren acht und sechzehn Satelliten folgen. Wenn komplett installiert, sind Satelliten untereinander vernetzt und können von einer einzigen Bodenstation überwacht und gesteuert werden.

3.2.1.1.3. Frequenzplan der GPS-Satellitensignale

Im GPS kommen drei Übertragungsstrecken (Links) zur Anwendung: Zur Kommunikation mit den Bodenstationen (z.B. um aktuelle Navigations- und Steuerdaten zu übertragen) werden Frequenzen im S-Band ((1783,74 MHz Uplink, 2227,5 MHz Downlink) verwendet. Die Intersatellitenkommunikation (also die Funkvernetzung der Satelliten untereinander) findet im UHF-Bereich statt. Die dritte Übertragungsstrecke ist der Userlink vom Satelliten zu GPS-Empfänger.
Im GPS werden die für den Systemnutzer bestimmten Datensignale mit einer Datenrate von 50 Bit/s im Spread Spectrum-Verfahren auf drei Frequenzbereichen parallel ausgestrahlt. Die Wahl der Trägerfrequenz unterliegt bestimmten Bedingungen:
Da aus praktischen Gründen bei den Empfängern keine Richtantennen zum Einsatz kommen sollen, kommen nur Frequenzbereiche unterhalb von 2 GHz in Frage. Der Frequenzbereich unterhalb von 1 GHz kommen nicht in Frage, da hier viele terrestrische Sender das Signal stören würden und Effekte in der Ionosphäre zu zu großen Verzögerungen in der Laufzeit der Signale führen. Die gewählte Frequenz sollte zudem in einem Bereich liegen, in dem die Signalausbreitung nicht durch Wetterphänomene (Wolken, Regen, Schnee usw.) beeinflusst wird.
Da der Bandbreitenbedarf für GPS-Signale relativ groß ist, haben sich zunächst zwei Frequenzen als besonders geeignet herausgestellt, weshalb jeder der GPS-Satelliten mindestens die zwei Trägersignale überträgt, die als L1 und L2 bezeichnet werden. Im Laufe der Zeit kamen im Rahmen von Modernisierungsmaßnahmen zu den beiden klassischen GPS-Frequenzen L1 und L2 mehrere neue Frequenzbereiche und Signale hinzu.

Abb. 3.09: GPS Frequenzbänder
Abb. 3.09: GPS Frequenzbänder

Auf der L1-Frequenz (1575,42 MHz) werden der C/A-Code Coarse Acquisition (= Grobe Erfassung) für die zivile Nutzung und orthogonal dazu der nicht öffentlich bekannte P/Y-Code (Precision/encrypted) für die militärische Nutzung eingesetzt. Das übertragene Datensignal ist bei beiden Codefolgen identisch und stellt eine 1500 Bit lange Navigationsnachricht dar. Sie enthält alle wichtigen Informationen zur Bestimmung der exakten Position des Satelliten zur Aussendezeit.

Die zweite Frequenz L2-Frequenz (1227,60 MHz) überträgt nur den militärischen P/Y-Code. Wahlweise kann auf der zweiten Frequenz auch der zivile C/A-Code (L2C) übertragen werden. Durch die Übertragung auf zwei Frequenzen können ionosphärische Effekte, die zur Erhöhung der Laufzeit führen, herausgerechnet werden, was die Genauigkeit steigert.

Das in Abb. 3.09 dargestellte L5-Band (1176,45 MHz) wurde erst mit der jüngsten Satellitengenerationen (Navstar-IIF-M und GPS III) eingeführt und befindet sich im Aufbau. Sie soll die Robustheit des Empfangs weiter verbessern und ist vor allem für die Luftfahrt und Safety-of-Life-Anwendungen vorgesehen. Mit einem Regelbetrieb ist ab 2013 zu rechnen.

Die L3-Frequenz (1381,05 MHz, NUDET) gehört nicht zum GPS-Navigationssystem sondern ist eine Nutzlast, die zum militärischen Überwachungssystems NDS (Nuclear Detection System) gehört. Mit speziellen Sensoren zur Erfassung von Röntgenstrahlen, EMP (Electromagnetic Pulse) und Infrarotlicht ausgestattet, kann das System das Erkennen von Atomexplosion auf der Erde, in der Luft und im nahen Weltraum auf 100 m genau erfassen. Die Informationen werden in Echtzeit an alle US-Kommandostellen auf der Erde und in der Luft übertragen.
In Friedenszeiten dient das NDS zur Überwachung des Verbots von Nuklearversuchen.

Die L4-Frequenz (1379,913 MHz) dient zur Untersuchung der Ionosphäre. Die hohe Dichte von freien Ionen und Elektronen in der Ionosphäre verzögert die von den GPS-Satelliten abgestrahlten Signale und verändert deren Laufzeit, was zu Messfehlern führt. Mit Hilfe des L4-Bandes sollen Korrekturwerte gefunden werden.

Abb. 3.10: Sendeantennen eines Navstar-IIRM-Satelliten
Abb. 3.10: Sendeantennen eines Navstar-IIR-M-Satelliten [4]

Nach den Spezifikationen für das GPS-System darf die Empfangsleistung der GPS-Signale den Wert von 161,5 dBW und für die militärischen Signale 158,5 dBW nicht unterschreiten. Um diese Pegel zu erreichen, bedarf es bei einer Bündelung des Strahls auf 14,3° Sendeleistungen von mehr als 20 W pro Frequenzband.
Die Funksignale werden rechtsdrehend polarisiert abgestrahlt. Abb. 3.10 zeigt die Helikal-Sendeantennen eines Navstar-IIR-MSatelliten.

3.2.1.1.4. Die Satellitensignale

Erzeugung der Satellitensignale
Da die Genauigkeit der Navigation auf der Erde von der Genauigkeit des Satellitensignales abhängt, kommen in den Satelliten hochpräzise Rubidium-, Cäsium-Atomuhren oder, bei zukünftigen Satelliten, sogar Wasserstoff-Maser als Frequenzgeneratoren zum Einsatz. Aus deren Resonanzfrequenz werden die benötigten Takte und Trägerfrequenzen abgeleitet.

Dieses sind z.B. für das zivile L1-Signal:
- Datentakt mit 50 Hz
- Takt des C/A-Codes mit 1,023 MHz
- L1-Trägerfrequenz  mit 1575,42 MHz

Abb. 3.11: Prinzip der Bandbreitenspreizung (Spread Spectrum, rechts)
Abb. 3.11: Prinzip der Bandbreitenspreizung (Spread Spectrum, rechts)

Die Ausstrahlung der Signale vom Satelliten erfolgt im Spread Spectrum-Verfahren (sog. Bandbreitenspreizung). Statt mit hohen Signalpegeln und geringer Bandbreite wird beim Spread Spectrum-Verfahren ein niedriger Pegel, aber eine große Bandbreite verwendet (Abb. 3.11). Beide Verfahren haben dabei die gleiche spektrale Energie (was an der identischen Fläche der Seitenbänder sichtbar wird), nur wird sie bei der Bandbreitenspreizung über einen größeren Frequenzbereich verteilt. Abbildung 3.11 zeigt auch auf, dass gespreizte Signale gegenüber Störstrahlung wesentlich unempfindlicher sind, weil ein erheblich kleinerer Anteil des Übertragungsspektrum beeinflusst wird.

Abb. 3.12: Prinzip DSSS
Abb. 3.12: Prinzip DSSS

Damit alle 32 Satelliten auf nur einer Frequenz (L1 = 1575,42 MHz) senden können, kommt das CDMA- (Code Division Multiple Access-) Verfahren zum Einsatz.
Die Nutzdaten, die gesendet werden sollen, werden hierzu mit mit einer DSSS- (Direct Sequence-Spread Spectrum-) Modulation übertragen. DSSS verknüpft (überlagert) per XOR (= Modulo 2-Addition)  die schmalbandigen Nutzdaten in direkter Folge (Direct Sequence) mit einem Spreizungscode (Chipping-Sequenz) (Abb. 3.12). So wird beispielsweise jedes Datenbit mit 20.460 C/A-Chips dargestellt.
Das Ergebnis, das breitbandige Navigationsbaseband, wird per BPSK (Binary Phase Shift Keying) auf die  L1-Trägerfrequenz moduliert (Abb. 3.13).

Abb. 3.13: Prinzip der Signalerzeugung
Abb. 3.13: Prinzip der Signalerzeugung

Im GPS-System werden mehrere verschiedene Spreizungscodes verwendet, z.B.:

  • C/A-Code für zivile Anwendungen
  • P-Code für militärische Anwendungen
  • P(Y)-Code (wie P-Code, nur zusätzlich verschlüsselt)
  • M-Code für militärische Anwendungen

Der Spreizungscode ist eine pseudozufällige Bitfolge (PRN = Pseudo Random Noise) mit besonderen Eigenschaften. Dieser (auch " Goldener Code" genannt) enthält in einer Sequenz keine Wiederholungen. Daher kann er per Korrelation eindeutig in seiner Phasenlage erkannt werden. Im Satellit werden die Codes mittels rückgekoppelter Schieberegister erzeugt.

Die PRN-Codes der Satellitensignale

C/A-Code

Eine besondere Aufgabe hat der C/A-Code (Coarse Acquisition = Grobe Erfassung). Jeder GPS-Satellit hat seinen individuellen Code und kann anhand dessen eindeutig identifiziert werden. Auch militärische Anwendungen benötigen zuerst den C/A-Code um einen Einstieg in den P-Code zu finden. Der C/A-Code ist 1023 Bit (1023 Chips) lang  und dauert eine Millisekunde (= 1,023 MHz). Der C/A-Code ist für die zivile Nutzung vorgesehen.

P-Code

Der nur für militärische Zwecke vorgesehene P-Code (Precision Code) wird aus der Modulo-2 Summe zweier PRN-Codes erzeugt. Zusätzlich wird einer der beiden PRN-Codes in 37 Stufen in der Phase verschoben. Bei einem Takt von 10,23 MHz können 15.345.000 * 15.345.037 Chips (=2,35*1014 Bits = ca. 6,7 TBytes) in 7 Tagen erzeugt werden. Tatsächlich werden aber von jedem Satelliten unterschiedliche Segmente dieses Master P-Codes verwendet. Damit militärische GPS-Empfänger sich auf das richtige Segment des P-Codes synchronisieren können, müssen sie zuerst das C/A-Signal empfangen, das dieses mit dem P-Code verknüpft ist.


Y-Code

Um eine nicht autorisierte Verwendung des P-Signals auszuschließen und um eine Verfälschung durch Andere zu verhindern (Anti-spoofing), kann der öffentlich bekannte P-Code mit dem geheimen Y-Code zum sog. P(Y)-Code zusätzlich verschlüsselt werden.


M-Code

Der M-Code ist ein neu eingeführter militärischer Code unbekannter Länge. Die Taktfrequenz ist 5,115 MHz. Der M-Code ist angeblich autonom, d.h. die Empfänger können direkt, ohne vorher einen anderen Code zu empfangen, einrasten (Lock In).


L2C-Code

Das ebenfalls neu eingeführte L2C-Signal verwendet zwei getrennte PRN-Codes: den "Civilian Moderate-" (CM) und den "Civilian Long-" Code. Der L2CM-Code ist 10230 Bit lang und wiederholt sich alle 20 Millisekunden. Der L2CL-Code ist 767.250 Bit lang und wiederholt sich nach 1,5 Sekunden. Die Taktfrequenz für beide L2C Codes ist jeweils 511.500 Bit/s. Nach dem Multiplexing der Signale zum L2C-Signal ergeben sich so 1,023 MBit/s. Durch die Freigabe einer zweiten zivilen Frequenz kann die Genauigkeit ziviler Anwendungen beträchtlich erhöht werden. Durch den Vergleich der Ausbreitungseigenschaften zweier unterschiedlicher Frequenzen können Rückschlüsse auf die Bedingungen in der Ionosphäre gemacht werden und entsprechende Korrekturfaktoren in die Berechnung der Position mit eingebunden werden.

L5-Codes

Im L5-Band werden zwei Codes (I5-Code und Q5-Code) verwendet, deren Navigationsbasebänder, wie beim L1-Signal, orthogonal zueinander ausgestrahlt werden. Beide Codes sind 10.230 Bits lang und dauern bei 10,23 MHz Takt eine Millisekunde.

Abb. 3.14: Blockschema eines Standard-GPS-Satelliten
Abb. 3.14: Blockschema eines Standard-GPS-Satelliten

Abb. 3.14 zeigt das Blockschema eines Standard-GPS-Satelliten. Jeder GPS-Satellit hat mindestens vier Atomuhren (meist zwei Rubidium und zwei Cäsium-Uhren, zukünftig auch Wasserstoff-Maser) an Bord, von denen immer nur eine zur Zeit verwendet wird. Die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen (Cs: 9.192,631770 MHz, Rb: 6.384,6826128 MHz, H: 1.420,40575177MHz) werden auf die Basisfrequenz heruntergeteilt. Aus dieser wiederum werden die einzelnen Trägerfrequenzen der Sendesignale L1 und L2 erzeugt. Weitere Frequenzteiler erzeugen aus der Basisfrequenz den Takt für die Schieberegister der Codegeneratoren.
Die von der Bodenstation per Uplink gesendeten Daten werden in Steuersignale und Navigationsdaten separiert. Die Navigationsdaten werden per XOR mit den PRN-Codes zu den Navigationsbasebändern verknüpft. Das P-Code-Navigationsbaseband kann direkt (In-Phase) auf den L2 und L1-Träger aufmoduliert werden. Der Träger für das C/A-Code-Navigationsbaseband wird vor der Modulation um 90° verschoben um eine orthogonale Ausrichtung zum L2P-Signal zu erhalten.

3.2.1.1.5. Die GPS-Navigationsnachricht (Navigation Message)

Neben den PRN-Ortungscodes benötigt ein GPS-Empfänger detaillierte Informationen über jeden Satelliten und das verbindende Netzwerk. Diese Daten sind als Navigationsdaten auf den C/A- und P(Y)-Code aufmoduliert. Eine Navigationsnachricht besteht aus vier Komponenten:

  • Systemzeit (GPS-Zeit)
  • Status und Zustand des Satelliten
  • hochpräzise Bahndaten (Ephemeriden) des Satelliten
  • Informationen (Status, PRN-Nummern, ...) über alle anderen Satelliten und deren grobe Bahndaten (Almanach) 
Struktur einer Navigationsnachricht

Die Verwendbarkeit und damit auch die Gültigkeit der Daten ist unterschiedlich. Die hochgenauen Bahndaten sind meist nicht mehr als vier Stunden aktuell, während  die Daten des allgemeineren Almanach bis zu 180 Tagen gültig sein können. Die vorberechneten Daten werden normalerweise alle 24 Stunden von den Bodenstationen zum Satelliten gefunkt. Die Satelliten ab Block-IIA können Daten für mindestens 60 Tagen vorhalten, um Zeiten, wo ein Update eventuell nicht möglich ist, zu überbrücken.
Die Daten werden von den Satelliten als kontinuierlicher Datenstrom mit 50 Bits/s abgestrahlt. Ein kompletter Datensatz wird als Navigationsnachricht bezeichnet. Eine Navigationsnachricht ist in 25, jeweils 1500 Bit langen logischen Einheiten, Frames (Rahmen) genannt, gegliedert. Die Übertragung eines Frames dauert 30 Sekunden. Die ganze Navigationsnachricht ist somit 37.500 Bits lang und benötigt 12,5 Minuten zur Übertragung.
Frames sind nochmal in 5 Subframes (Unterrahmen) unterteilt. Ein Subframe besteht wiederum aus 10 Worten mit jeweils 30 Bits.

Abb. 3.15: Struktur einer Navigationsnachricht
Abb. 3.15: Struktur einer Navigationsnachricht
Struktur eines Subframes

Jedes Subframe beginnt immer mit den zwei vom Satelliten erzeugten Datenworten TLM und HOW. Das TLM (Telemetrie-Wort) besteht aus einem 8 Bit langen festen Bitmuster, der Präambel, gefolgt von 14 Bit Telemetriedaten. Die Präambel dient zur Synchronisation des GPS-Empfängers mit dem Beginn des Subframes. Die Telemetriedaten sind nur für autorisierte Nutzer (PPS und Bodenstationen) nutzbar.
Das folgende Wort HOW (Hand Over Word = Übergabewort) übermittelt die Wochenzeit (TOW - Time Of Week). Die ersten 17 Bits des Wortes bilden einen Zähler, der zum Begin der GPS-Woche (Epochenstart ist normalerweise der Übergang zum Sonntag 00:00:00 Uhr) bei Null startet. Alle 6 Sekunden, also die Zeit, die ein Subframe dauert, wird TOW um 1 inkrementiert. In einer Woche (= 604.800 Sekunden) zählt TOW also bis zum Wert 100.799 hoch bis er wieder auf Null zurückgesetzt wird. Das TOW ermöglicht militärischen Anwendungen die Synchronisation mit dem P-Code. Die Bits 3 bis des sieben Bit langen ID-Abschnitts markieren das jeweilige Subframe mit den ID-Codes 1 bis 5. Weitere Bits in TLW und HOW sind Flags und Paritätsbits.
Die Worte 3 bis 10 eines jeden Subframes beinhalten unterschiedliche Informationen:

  • Subframe 1
    • Nummer der GPS-Woche (von 0 bis 1023 seit 22. August. 1999 00:00h)
    • Korrekturdaten, die die Abweichung der Satellitenzeit zur GPS-Zeit angeben
    • ein statistischer Kennwert über die Genauigkeit der Position
    • Informationen über den Zustand ("Health") des Satelliten
  • Subframe 2 und 3
    • die eigenen Ephemeriden (Tab. 3.02)
    • das Datum der Ausgabe der Ephemeriden
Tabelle 3.02: Die Ephemeriden eines Satelliten
Tabelle 3.02: Die Ephemeriden eines Satelliten
  • Subframe 4
    • Frames 2, 3, 4, 5, 7, 8, 10: Almanach-Daten der GPS-Satelliten 25 bis 32 (PRN-25 - PRN-32)
    • Frame 18: von der Ionosphäre anhängige Korrekturdaten, Abweichung der GPS-Zeit von der UTC-Zeit
    • Frame 25: Konfiguration für alle 32 Satelliten, Informationen über den Zustand ("Health") der GPS-Satelliten 25 bis 32
  • Subframe 5
    • Frames 1 bis 24: Almanach-Daten für GPS-Satelliten 1 bis 24 (PRN-25 - PRN-24)
    • Frame 25: Informationen über den Zustand ("Health") der GPS-Satelliten 1 bis 24, Almanach Referenzzeit und -woche
Tabelle 3.03: Der Almanach eines Satelliten
Tabelle 3.03: Der Almanach eines Satelliten

3.2.1.2. Das GPS-Kontrollsegment

Die Kontrolle über das GPS-System liegt vollständig bei der US-Air Force. Betrieben und kontrolliert wird es vom 50th Space Wing’s (Air Force Space Command) 2nd Space Operations Squadron, Schriever Air Force Base, Colorado Springs. Die Beschaffung von Satelliten, Bodensysteme und militärischer Ausrüstung erfolgt durch das Navstar GPS Joint Program Office (Los Angeles Air Force Base), einer Agentur des US-Verteidigungsministerium (DOD).

Abb.3.16: GPS-Hauptkontrollstation auf der Schriever AFB
Abb.3.16: GPS-Hauptkontrollstation auf der Schriever AFB [3]

Das weltweit angelegte GPS-Überwachung- und Kontrollsegment bestand ursprünglich, neben der Hauptkontrollstation/Monitorstation in Colorado Springs, aus drei weiteren mit Atomuhren ausgestatteten Monitorstationen (Ascension Island, Diego Garcia und Kwajalein (Marshall Islands)) mit insgesamt fünf Bodenantennen. Seit 2000 wird das Kontrollsegment massiv erweitert. So wurde u.a. ein zweites Hauptkontrollzentrum auf der Vandenburg Air Base in Kalifornien als Reserve und zur  Ausbildung eingerichtet. In der erweiterten Konstellation mit 11 zusätzlichen, teilweise ferngesteuerten, Monitorstationen ist sichergestellt, dass jeder GPS-Satellit zu jedem Zeitpunkt von mindestens zwei Monitorstationen überwacht werden kann.

Abb. 3.17: Infrastruktur GPS-Kontrollsegment
Abb. 3.17: Infrastruktur GPS-Kontrollsegment

Die Aufgabe des Kontrollsegments ist es:

  • die Satellitenbahnen zu verfolgen und daraus die Bahndaten (Ephemeriden und Almanach) zu berechnen. Hierzu verfolgen die Monitorstationen das Navigationssignal passiv und senden die Daten an das Monitor Network Control Center in St. Louis. Die ausgewerteten Daten werden der Hauptkontrollstation zugeführt.
  • Überwachung der Satellitenuhren. Bereitstellen von Korrekturdaten. Als Referenz dienen die Atomuhren des US-Naval Observatory. Dieses liefert auch die UTC.
  • Überwachen des Zustandes (Telemetrie) der Satelliten. Bereitstellen von Statusinformationen und Korrekturdaten
  • Zusammenstellen der aktuellen Navigationsdaten, Statusinformationen und Korrekturdaten zur Navigationsnachricht und Übertragen des Datensatzes auf die Satelliten
  • bei Bedarf Anti-Spoofing, Verschlüsselung des P-Signales und der SA (Selected Availability) aktivieren bzw. deaktivieren
Abb. 3.18: Informationsfluss im Kontrollsegment
Abb. 3.18: Informationsfluss im Kontrollsegment

3.2.1.3. Das GPS-Benutzersegment

Das GPS-Benutzersegment umfasst die militärischen und zivilen GPS-Empfangsgeräte. Die militärischen GPS-Empfänger können fest installiert in Schiffen, Flugzeugen, U-Booten, Cruise-Missiles usw. sein oder handgehalten sein. Zivile GPS-Geräte finden bei Vermessungen, Navigation von Flugzeugen, Autos oder auch bei Freizeitaktivitäten Anwendung. Der Einsatzbereich von GPS-Geräten wird im Kapitel 5 "Anwendungen von GNSS" beschrieben.

3.2.1.3.1. Aufbau von GPS-Empfängern

Der Aufbau von GPS-Empfängern ist bei allen Anwendungen ähnlich. Grundbestandteile sind der HF-Teil (grün),  die Decoderstufe (gelb) und die Auswerte- und Ausgabestufe (hellblau).

Abb. 3.19: Blockschema eines GPS-Empfängers
Abb. 3.19: Blockschema eines GPS-Empfängers

Die auf der Erdoberfläche messbaren Pegel der Satellitensignale sind mit gut -158 dBW gut 16 dB unterhalb des normalen Rauschpegels (bei 290K = 16,85°C). Weil GPS hauptsächlich mobil genutzt wird, können keine großen Antennen mit viel Gewinn eingesetzt werden. Da GPS kurze Wellenlängen (λ = ca. 19-25 cm) verwendet, kommen zumeist aktive Antennen mit entsprechend kleinen Strukturen zum Einsatz.
Mikrostreifen-Antennen  ("Patch-Antennen", Abb. 3.20 links) bestehen aus metallischen Strukturen, die auf der Oberfläche eines dielektrischen Substrats angebracht werden. Da diese Art eine geringe Richtwirkung haben und kostengünstig herzustellen sind, werden sie vorzugsweise in sehr mobilen Geräten wie Navigationsgeräte oder GPS-Logger eingesetzt. Abmessungen: ca. 2,5 x 2,5 cm x 5 mm, Gewinn: bis 9 dBi

Abb. 3.20: Patch-Antenne (l), Helix-Antenne (m), Choke-Ring-Antenne (r)
Abb. 3.20: Patch-Antenne (l), Helix-Antenne (m), Choke-Ring-Antenne (r)

Helix-Antennen (Abb. 3.20 Mitte) werden hauptsächlich in Handgeräten eingesetzt. Sie besteht meist aus einem zylindrischen Keramikkörper auf dem vier Wendel aus Metall aufgedampft sind. Abmessungen Antenne: Länge 17 mm Durchmesser 10 mm, Gewinn: bis 16 dBi
Eine Choke-Ring-Antenne (Abb. 3.20 rechts) besteht aus einer zentralen Antenne und einer Reihe konzentrisch dazu angeordneter Zylinder, deren Höhe nach außen hin abnimmt. Durch diese Bauform kann ein Mehrwege-Empfang (der Empfang eines Signals direkt und zusätzlich indirekt über Reflexionen) und von sehr niedrig über dem Horizont stehende Satelliten unterdrückt werden. Daher sind Choke-Ring-Antennen ideal für Präzisionsmessungen in stationären Referenz-Stationen (z.B. SAPOS) geeignet. Abmessungen: 38 cm x 20 cm, Gewinn: ca. 40 dBi, Preis: ca. 8000 €.
Antennen wirken zwar wie Resonatoren und haben auch eine Bandpasswirkung, die allerdings nicht ausreichend ist. Das nutzbare GPS-Signal hat eine Bandbreite von 2 MHz. Ein Oberflächenwellen-(SAW-) Filter reduziert den Einfluss störender Eingangssignale. Der folgende rauscharme Verstärker (LNA) verstärkt das Signal bis zu 20 dB. Ein weiteres OFW erhöht die Selektivität der Eingangskreise, die sich oft auf einer separaten Platine oder in eine aktive Antenne integriert befinden.
Das verstärkte GPS-Signal wird mit der Frequenz eines spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) gemischt. Das Mischprodukt, die 1,023 MHz-Zwischenfrequenz, wird mit einem Bandpassfilter herausgefiltert und mit einer automatischen Verstärkungsregelung in der Amplitude stabil gehalten. Der folgende Analog-Digitalwandler (ADC) quantisiert die analoge ZF zu einer 2-Bit digitalen ZF.
Im Decoderteil werden bis zu über sechzig (Konsumerprodukte: meist 8 oder 16) Satellitensignale gleichzeitig korreliert und dekodiert. Durch ständiges systematisches Verschieben und Vergleichen aller im Receiver gespeicherten PRN-Codes mit denen in den Satellitensignalen können Übereinstimmungen (Korrelation, Abb. 3.21) ermittelt werden. Durch den Dopplereffekt wird die Frequenz eines Satellitensignals bei einer Annäherung des Satelliten auf den Standort des Empfängers um bis zu +6KHz verschoben. Bei der Entfernung des Satelliten verschiebt sich die Signalfrequenz um bis zu -6 KHz. Daher muss die Suche nach Korrelation auch durch Verstimmen der Frequenz erweitert werden (Autokorrelation, Abb. 3.22). Erst wenn eine vollständige Korrelation (Korrelationsgrad=1=hier grün) hergestellt worden ist, kann der Satellit identifiziert und mit der Laufzeitmessung begonnen werden.

Abb. 3.21: Prinzip eines Korrelators
Abb. 3.21: Prinzip eines Korrelators
Abb. 3.22: Korrelationssuche durch Verschieben der Suchfrequenz und des Codes
Abb. 3.22: Korrelationssuche durch Verschieben der Suchfrequenz und des Codes

Zur Rückgewinnung der auf den PRN-Code aufmodulierten Daten wird der empfangene Code im DSP (Digital Signal Processor) mit dem passenden Code gemischt. Diese Entspreizung bewirkt auch eine Anhebung (>40dB) des Nutzsignales über den Rauschpegel. Der DSP misst die Laufzeitverzögerungen und selektiert die vom Satelliten gesendeten Nutzdaten wie Ephemeriden, Almanach sowie Zeit- und Statusinformationen. Diese Rohdaten liefert er in einem ständigen Datenfluss an den Mikrocontroller.

Der Microcontroller sortiert die Rohdaten. Einige, z.B. den Almanach, speichert er in einem nichtflüchtigen Speicher (EEPROM, NVM). Andere, kurzlebigere Daten wie die Ephemeriden, legt er in seinem Arbeitspeicher (RAM) ab. Dann berechnet er anhand der Rohdaten die Position innerhalb der Pseudoranges. Die durch den eigenen Uhrenfehler (hier 0,1 ms = 30 km) vorgegebenen Messfehler (die Fläche, die durch die Punkte "A" umfasst sind) versucht er durch Nachstimmen der internen Uhr im DSP soweit zu kompensieren, dass eine eindeutige Position festgelegt werden kann. Die Positionsdaten werden auf einem Display angezeigt, in einem nichtflüchtigen Speicher (FLASH-RAM) gespeichert oder in Echtzeit über ein Interface (RS232, USB, Bluetooth, ...) ausgegeben.

Abb. 3.23: 2D-Positionsbestimmung
Abb. 3.23: 2D-Positionsbestimmung

Die Zeit, die ein GPS-Empfänger braucht um eine gültige Position zu bestimmen, ist abhängig von den Daten, die dem Microcontroller zur Verfügung stehen. Sind alle Datenspeicher leer oder sind die vorhandenen Daten älter als 180 Tage, führt der Empfänger einen Kaltstart durch. Als erstes muss er darauf warten, dass ein von ihm zufällig empfangener Satellit den Almanach aussendet. Bei dem Empfang von nur einem Satellit kann dies bis zu 12,5 Minuten dauern. Nutzt der Empfänger mehrere Korrelatoren gleichzeitig und empfängt er mehrere Satelliten, kann sich diese Phase erheblich verkürzen. Sind die Almanach-Daten vorhanden, kann der Microcontroller die ungefähre Position der sichtbaren Satelliten berechnen und deren PRN-Codes in die Korrelatoren laden. Mit der nächsten Navigationsnachricht von den Satelliten erhält er deren Ephemeriden, kann die Position der Satelliten genau berechnen und dann die eigene Position bestimmen.
Sind die Almanach-Daten vorhanden, die genaue Uhrzeit bekannt aber die Ephemeriden veraltet, z.B. weil das Gerät für einige Stunden abgeschaltet oder ohne Empfang war, kann ein Warmstart durchgeführt werden. Ephemeriden sind bis zu 6 Stunden gültig. Danach hat sich die Satellitenkonfiguration so sehr verändert, dass der Empfänger aktuelle Ephemeriden von den nun sichtbaren Satelliten abwarten muss. Dieses kann bis zu 45 Sekunden dauern.
Befindet sich der Empfänger für bis zu sechs Stunden am gleichen Platz oder reißt der Empfang kurz ab, hat der Microcontroller noch gültige Ephemeriden und Uhrzeit und kann innerhalb weniger Sekunden die tatsächliche Position neu ermitteln. In diesem Fall spricht man von einem Heissstart.

3.2.1.3.2. Datenschnittstellen

Um die vom GPS-Gerät gewonnenen Daten wie Position, Geschwindigkeit, Richtung usw. an ein Peripheriegerät wie Computer oder Funkgeräte weiterleiten zu können, bedarf es normierter Schnittstellen. Als physische Standardschnittstelle für professionelle GPS-Systeme ist  der serielle RS422-Bus vorgesehen. Konsumerprodukte verwenden meist einen USB-Port, der eine serielle Schnittstelle emuliert oder Bluetooth-Verbindung. Die Datenübertragung über diese Schnittstellen unterliegt dabei bestimmten Protokollen. Das heute am meisten verwendete ist das NMEA-0183-Protokoll. Diese Spezifikation ist ein von von der NMEA (National Marine Electronics Association) geschaffener Standard, der ursprünglich für die Kommunikation zwischen Navigationsgeräten auf Schiffen definiert wurde.
Neben dem NMEA-0183-Protokolle gibt es noch zahlreiche proprietäre Schnittstellen und Protokolle, die die Leistungsfähigkeit des NMEA-Protokolls bei Weitem übertreffen. So ist eine optimale Anbindung an spezialisierte Anwendungen möglich und es können erweiterte Features genutzt werden, die von NMEA nicht vorgesehen sind.


NMEA-0183

Die NMEA hat für unterschiedliche Anwendungen (wie GPS, LORAN, Transit) unterschiedliche Formate von Datensätzen festgelegt. Für allgemeine GPS-Anwendungen kommen meist die Datensätze GGA, GLL, GSA, GSV, RMC und VTG zur Anwendung.

Der NMEA-0183 Standard sieht pro System ein Sendegerät und mehrere Empfangsgeräte vor. Der Sender soll Daten nach dem RS-232-Standard ausgeben. Die Symbolrate beträgt 4800 Baud (ca. 600 Bytes/s), bei Konsumerprodukten über USB meist 9600 Baud.
 
NMEA-Daten sind ASCII-basierte Datensätze, die jeweils 80 druckbare Zeichen umfassen können. Jeder Datensatz wird durch eine Kombination aus Wagenrücklauf und Zeilenvorschub abgeschlossen (<CR><LF>). Der Anfang eines Datensatzes wird durch ein „$“ oder „!“ markiert. Nach diesem Startzeichen folgt die Geräte-ID (z.B. GP für GPS, GL für GLONASS, ...) und die Datensatz-ID (z.B. GGA, GLL, ...) als eine Zeichenkette. Darauf folgen, jeweils durch Kommata getrennt, die Datenfelder gemäß der Datensatzdefinition. Optional kann zusätzlich eine durch ein „*“ abgetrennte hexadezimale Prüfzahl angehängt werden. Diese wird durch die XOR-Verknüpfung der ASCII-Werte aller Zeichen zwischen dem $ und dem * errechnet.

Abb. 3.24: Ausschnitt aus einem GPS-Log mit drei Blöcken von jeweils vier NMEA-Datensätzen
Abb. 3.24: Ausschnitt aus einem GPS-Log mit drei Blöcken von jeweils vier NMEA-Datensätzen
GGA (GPS Fix Data)

Der GGA-Datensatz enthält Informationen über Zeit, Position (geogr. Breite, Länge und Höhe), Systemqualität, Anzahl der genutzten Satelliten und Genauigkeit der Position.

Abb. 3.25: Aufbau des GGA-Datensatzes
Abb. 3.25: Aufbau des GGA-Datensatzes
GLL (Geographic Position - Latitude/Longitude)

Der GLL enthält Informationen über die Position (geogr. Breite/Länge) der Zeit und Status der Messung (FAA Mode Indicator).

Abb. 3.26: Aufbau des GLL-Datensatzes
Abb. 3.26: Aufbau des GLL-Datensatzes
GSA (GPS DOP and active satellites)

Die DOP (Dilution of Precision = Verringerung der Genauigkeit) ist bei Satellitennavigationssystemen ein Maß für die Streubreite der Messwerte. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung ist stark abhängig von der Position der Satelliten zueinander und zum beobachtenden Ort. DOP ist für eine gegebene Satellitenkonstellation an einem bestimmten Ort ein Maß, wie gut diese Konstellation zur Messung geeignet ist. Der Wert von eins beschreibt die bestmögliche geometrische Anordnung der Satelliten, ein Wert von ungefähr 6 ist noch gut. DOP-Werte größer als 10 lassen keine qualifizierte Auswertung mehr zu (Quelle: Wikipdia).
Man unterscheidet:
   - VDOP DOP Vertikalrichtung
   - HDOP DOP Horizontalrichtung
   - PDOP DOP Positionsgenauigkeit
   - TDOP DOP Zeitgenauigkeit

Aktive Satelliten sind die Satelliten, die vom GPS-Empfänger zur Positionsbestimmung verwendet wurden. In den Feldern 3 bis 15 können bis zu zwölf PRN-Nummern der verwendeten Satelliten eingetragen werden.

Abb. 3.27: Aufbau des GSA-Datensatzes
Abb. 3.27: Aufbau des GSA-Datensatzes
GSV (Satellites in view)

Der GSV-Datensatz beschreibt die Anzahl und Parameter der empfangbaren Satelliten.

Abb. 3.28: Aufbau des GGA-Datensatzes
Abb. 3.28: Aufbau des GGA-Datensatzes
RMC (Recommended Minimum Specific GNSS Data)

Der RMC-Datensatz ist eine Empfehlung für das Minimum, was ein GPS-Empfänger an Daten ausgeben soll. Der Datensatz enthält Informationen über Datum/Uhrzeit, Position, Status der Messung, Geschwindigkeit und Kurs.

Abb. 2.29: Aufbau des RMC-Datensatzes
Abb. 2.29: Aufbau des RMC-Datensatzes
VTG (Track over ground and ground speed)

Der VTG-Datensatz enthält Informationen über den Kurs und Geschwindigkeit.

Abb. 3.30: Aufbau des VTG-Datensatzes
Abb. 3.30: Aufbau des VTG-Datensatzes

  

Referenzen

Abbildungen

[2] Animation "Abb. 3.04: GPS-Konstellation"; Lizenz: Public Domain;
    Quelle: "ConstellationGPS.gif" by El pak at the wikipedia project;
    http://commons.wikimedia.org/wiki/File:ConstellationGPS.gif

[3] App. 3.6 - 3.08 "GPS-Satelliten": Lizenz: Public Domain;
     Abb.3.16: GPS-Hauptkontrollstation auf der Schriever AFB;
     Quelle: http://www.gps.gov/multimedia/images/

[4] Abb. 3.10: Sendeantennen eines Navstar-IIR-M-Satelliten;
   Quelle: Lockheed-Martin Publikation "The GPS Block IIR/IIR-M Antenna Panel Pattern"

 

Weblinks

1. Offizielle GPS-Website der US-Regierung: http://www.gps.gov/

2. Technische Dokumentation: http://www.gps.gov/technical/

3. Aktuelle Informationen zum GPS-System (Almanach, NANUs (Empfehlungen für Nutzer)): US Navigation Center

 

Zuletzt bearbeitet am 24.04.2015

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