Was ist GPS?

Was ist GPS?

1. allgemeiner Überblick über GPS

GPS steht für Global Positioning System (Globales Positionsbestimmungssystem), mit dem jeder jederzeit und überall auf der Welt Positions- und Zeitangaben erhalten kann.

2. Grundlegende Struktur von GPS

Drei-Block-Konfiguration

GPS besteht aus den folgenden drei Segmenten.

Raumsegment (GPS-Satelliten)

Eine Reihe von GPS-Satelliten wird auf sechs Umlaufbahnen um die Erde in einer Höhe von ca. 20.000 km (vier GPS-Satelliten pro Umlaufbahn) eingesetzt und bewegt sich in 12-Stunden-Intervallen um die Erde.

Kontrollsegment (Bodenkontrollstationen)

Die Bodenkontrollstationen haben die Aufgabe, die Satellitenbahn zu überwachen, zu kontrollieren und aufrechtzuerhalten, um sicherzustellen, dass die Abweichung der Satelliten von der Umlaufbahn sowie die GPS-Zeitmessung innerhalb der Toleranzgrenzen liegen.

Nutzersegment (GPS-Empfänger)

GPS-Ortung

Zunächst wird das Zeitsignal von einem GPS-Satelliten an einen bestimmten Punkt gesendet. Anschließend wird die Zeitdifferenz zwischen der GPS-Zeit und dem Zeitpunkt, zu dem der GPS-Empfänger das Zeitsignal empfängt, berechnet, um die Entfernung zwischen dem Empfänger und dem Satelliten zu ermitteln. Das gleiche Verfahren wird mit drei weiteren verfügbaren Satelliten durchgeführt. Es ist möglich, die Position des GPS-Empfängers aus der Entfernung zwischen dem GPS-Empfänger und drei Satelliten zu berechnen. Die mit dieser Methode ermittelte Position ist jedoch nicht genau, da die berechnete Entfernung zwischen den Satelliten und dem GPS-Empfänger einen Fehler aufweist, der auf einen Zeitfehler der im GPS-Empfänger eingebauten Uhr zurückzuführen ist. Bei einem Satelliten wird eine Atomuhr eingebaut, um die Zeitinformationen vor Ort zu generieren, aber die Zeit, die von den in den GPS-Empfängern eingebauten Uhren generiert wird, ist nicht so genau wie die Zeit, die von den Atomuhren der Satelliten generiert wird. Hier kommt der vierte Satellit ins Spiel: Die Entfernung zwischen dem vierten Satelliten und dem 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 anhand von zwei vorgegebenen Punkten). Wir können unseren Standort durch Berechnung der Entfernung von zwei gegebenen Punkten bestimmen und gleichzeitig mit dem genauen Zeitsignal der Satelliten kalibrieren. Das GPS ist das System, das durch Multiplikation der gegebenen Punkte und deren Ersetzung durch GPS-Satelliten in dieser Abbildung dargestellt werden kann.

GPS-Signale

GPS-Satelliten senden mehrere Frequenzen aus, wie L1 (1575,42 MHz), L2 (1227,60 MHz) und L5 (1176,45 MHz). Das typische Signal, das ausgesendet wird, ist der C/A-Code, der für kommerzielle Zwecke genutzt werden kann; der C/A-Code besteht aus einem Erkennungscode für jeden Satelliten, und gleichzeitig werden Informationen gesendet, die als Navigationsnachricht bezeichnet werden. Die Daten der Umlaufbahn jedes Satelliten werden Ephemeriden* genannt, und die Daten der Umlaufbahn aller Satelliten werden Almanach** genannt. Die Navigationsmeldungen werden mit einer Geschwindigkeit von 50 Bit pro Sekunde gesendet. Anhand dieser Datensammlung berechnet der GPS-Empfänger die Entfernung zwischen den Satelliten und dem Empfänger, um Positionsdaten zu erzeugen. In Abb. 1-4 werden die Einzelheiten des C/A-Codes und in Abb. 1-5 die Navigationsmeldungen beschrieben.

*Die Ephemeriden liefern die genaue Umlaufbahn des Satelliten selbst, die verwendet werden kann, um den genauen Standort des Satelliten zu bestimmen, der für die Berechnung der Positionsdaten erforderlich ist. Es handelt sich dabei um einheimische Daten, die nur von jedem der GPS-Satelliten mit einer spezifischen Identifikationsnummer verwendet werden.

**Der Almanach kann als vereinfachte Ephemeridendaten betrachtet werden und enthält grobe Bahn- und Statusinformationen für alle Satelliten im Netz. Er wird verwendet, um verfügbare Satelliten zu lokalisieren, damit ein GPS-Empfänger die aktuelle Position und Uhrzeit ermitteln kann. Es dauert 12,5 Minuten, um alle Almanachdaten zu empfangen.

Was ist der C/A-Code?

Das L1-Signal der GPS-Satelliten ist mit dem C/A-Code, einem Pseudozufallscode, phasenmoduliert. Der Pseudozufallscode wird auch als Pseudozufallsrauschcode bezeichnet, der auch als Goldcode bekannt ist. Wie in Abb. 1-4 dargestellt, ist der C/A-Code eine Folge von digitalen Signalen “1” und “0”. Im GPS bilden 1.023 aufeinanderfolgende Muster eine Sequenz, und diese Sequenz wiederholt sich dann ständig.