Autor: Tim Walker

Grundstruktur von GPS

GPS besteht aus den folgenden drei Segmenten. In verschiedenen Foren habe ich den GPS Tracker von kowoma gefunden. Einfach Spitze!

  • Raumsegment (GPS-Satelliten)

Eine Reihe von GPS-Satelliten sind auf sechs Erdumlaufbahnen in einer Höhe von ca. 20.000 km (vier GPS-Satelliten pro Umlaufbahn) aufgestellt und bewegen sich in 12-Stunden-Intervallen um die Erde.

  • Kontrollsegment (Bodenkontrollstationen)

Bodenkontrollstationen spielen eine Rolle bei der Überwachung, Kontrolle und Aufrechterhaltung der Satellitenumlaufbahn, um sicherzustellen, dass die Abweichung der Satelliten von der Umlaufbahn sowie die GPS-Taktung innerhalb der Toleranzgrenze liegen.

  • Nutzersegment (GPS-Empfänger)

Benutzersegment (GPS-Empfänger)

GPS-Positionierung

Erstens wird das Zeitsignal von einem GPS-Satelliten an einem bestimmten Punkt gesendet. Anschliessend wird die Zeitdifferenz zwischen der GPS-Zeit und dem Zeitpunkt, an dem der GPS-Empfänger das Zeitsignal empfängt, berechnet, um die Entfernung vom Empfänger zum Satelliten zu ermitteln. Dasselbe Verfahren wird mit drei weiteren verfügbaren Satelliten durchgeführt. Es ist möglich, die Position des GPS-Empfängers aus der Entfernung zwischen dem GPS-Empfänger und den drei Satelliten zu berechnen. Die mit Hilfe dieser Methode erzeugte Position ist jedoch nicht genau, denn es gibt einen Fehler in der berechneten Entfernung zwischen den Satelliten und einem GPS-Empfänger, der auf einen Zeitfehler der in einem GPS-Empfänger eingebauten Uhr zurückzuführen ist. Bei einem Satelliten ist eine Atomuhr eingebaut, um vor Ort Zeitinformationen zu erzeugen, aber die Zeit, die von in GPS-Empfängern eingebauten Uhren erzeugt wird, ist nicht so genau wie die Zeit, die von Atomuhren auf Satelliten erzeugt wird. Hier kommt der vierte Satellit ins Spiel: Die Entfernung vom vierten Satelliten zum Empfänger kann zur Berechnung der Position im Verhältnis zu den Positionsdaten verwendet werden, die durch die Entfernung zwischen drei Satelliten und dem Empfänger erzeugt werden, wodurch die Fehlermarge bei der Positionsgenauigkeit verringert wird.

Die nachstehende Abbildung 1-3 zeigt ein Beispiel für eine zweidimensionale Positionsbestimmung (Positionserfassung unter Verwendung von zwei gegebenen Punkten). Wir können berechnen, wo wir uns befinden, indem wir die Entfernung von zwei gegebenen Punkten berechnen, und das GPS ist das System, das durch Multiplikation gegebener Punkte und deren Ersetzen durch GPS-Satelliten auf dieser Abbildung veranschaulicht werden kann.

GPS-Signale

GPS-Satelliten senden Beams in zwei Trägerfrequenzen; L1 (1.575,42 MHz) und L2 (1.227,60 MHz). Strahlen, die für die Allgemeinheit zugänglich sind, werden im C/A (Coarse/Acquisition)-Code kodiert, und die Strahlen, die nur von den US-Militärkräften genutzt werden können, werden im P (Precise)-Code kodiert. Der C/A-Code besteht aus den Identifikationscodes der einzelnen Satelliten und wird zusammen mit den Navigationsnachrichten ausgestrahlt. Die Daten der Umlaufbahn jedes Satelliten werden als Ephemeride* und die Daten der Umlaufbahn aller Satelliten als Almanach** bezeichnet. Die Navigationsnachrichten werden mit einer Rate von 50 Bits pro Sekunde ausgestrahlt. Auf der Grundlage dieser Datensammlung berechnet der GPS-Empfänger die Entfernung zwischen den Satelliten und dem Empfänger, um Positionsdaten zu generieren. In Abb. 1-4 werden die Details des C/A-Codes beschrieben, und in Abb. 1-5 werden die Navigationsnachrichten beschrieben.

*Die Ephemeride liefert die genaue Umlaufbahn für den Satelliten selbst, aus der die genaue Position des Satelliten generiert werden kann, eine notwendige Information zur Berechnung der Positionsinformation. Es sind die einheimischen Daten, die nur von jedem der GPS-Satelliten mit spezifischer Identifikationsnummer verwendet werden.

**Der Almanach kann als vereinfachte Ephemeriden-Daten angesehen werden und enthält grobe Bahn- und Statusinformationen für alle Satelliten im Netzwerk. Er wird verwendet, um die verfügbaren Satelliten zu lokalisieren, damit ein GPS-Empfänger die aktuelle Position und Zeit ermitteln kann. Es dauert 12,5 Minuten, um alle Almanach-Daten zu empfangen.

Was ist der C/A-Code?

Das L1-Signal von den GPS-Satelliten wird im C/A-Code phasenmoduliert, das ist der pseudozufällige Code. Der Pseudozufallscode wird auch pseudozufälliger Rauschcode genannt, der als Gold-Code bekannt ist. Wie die Abbildung 1-4 zeigt, ist der C/A-Code eine Folge der digitalen Signale „1“ und „0“. Im GPS bilden 1.023 aufeinanderfolgende Muster eine Sequenz, und anschließend wird diese Sequenz kontinuierlich nacheinander wiederholt.

Navigationsnachricht

Die Navigationsnachricht besteht aus 25 Frames, von denen jeder 5 Unterframes mit jeweils 300 Bit enthält. Die Datenlänge von 1 Bit beträgt 20 ms, so dass die Länge jedes Unterrahmens 6 Sekunden beträgt, und jeder Rahmen ist eine Gruppierung von 1.500 Informationsbits mit einer Rahmenlänge von 30 Sekunden. Da die Navigationsnachricht aus 25 Frames besteht, ergäbe dies eine Nachrichtenlänge von 12,5 Minuten (30 Sekunden x 25=12,5 Minuten). Der GPS-Empfänger benötigt 12,5 Minuten, um bei der anfänglichen Aktivierung der Stromversorgung alle notwendigen Daten zu empfangen, die für die Positionierung erforderlich sind. Der GPS-Empfänger ist in der Lage, diesen in der internen Backup-Batterie der Vergangenheit gewonnenen Datensatz zu speichern, und er liest den Datensatz aus, wenn die Stromzufuhr reaktiviert wird, so dass er sofort mit dem Empfang der GPS-Position beginnt.