5 Die Satellitensignale

5.1 Frequenzen und aufmodulierte PRN-Impulsfolgen

Die Satelliten senden auf zwei unterschiedlichen Frequenzen. Der Träger L1 besitzt eine Frequenz von 1575,42 MHz (entspricht einem Faktor von 154mal dem Frequenznormal), der Träger L2 eine Frequenz von 1227,60 MHz (Faktor 120). Hinsichtlich der Verfügbarkeit von Bandbreite, der Anfälligkeit von atmosphärischen Störungen sowie der Empfangsleistung (bei festen Antennenflächen ist die empfangene Leistung proportional zum Quadrat der Frequenz) stellt das L-Band ein Optimum dar. Da Entfernungsmessungen bei zwei unterschiedlichen Frequenzen zu abweichenden Ergebnissen führen, kann man dadurch die durch Brechung in der Ionosphäre entstehenden Laufzeitverzögerungen rechnerisch eliminieren.

Die von den Satelliten gesendeten Ortungssignale bestehen aus codierten Impulsfolgen, die statistisch verteilt sind. "Diese Impulsfolgen bestehen aus binären Zeichen mit der Wertigkeit 0 und 1 bzw. -1 und +1 und zeigen infolge ihrer statistischen Verteilung die Merkmale des Rauschens. Da sie jedoch determiniert sind, liegt hier eine pseudostatistische Verteilung vor (pseuo random noise, Abkürzung PRN).". Durch den Einsatz dieser Impulsfolgen erreicht man, dass jeder Satellit die gleichen Frequenzen L1 und L2 zum Aussenden der Navigationsmitteilungen benutzen kann. Durch die Auswertung der PRN-Impulsfolge erfährt der Empfänger, welcher Satellit diese Information ausgesandt hat.

5.2 Die unterschiedlichen Ortungsgenauigkeiten

GPS verwendet nun derartige Impulsfolgen in Form zweier unterschiedlicher Codes, die den hochfrequenten Trägerschwingungen aufmoduliert und von den Antennen in Form einer zirkular polarisierten elektronmagnetischen Welle ausgesandt werden. Diese Codes stehen nun für unterschiedliche Genauigkeitspotenziale der Ortung:

5.2.1 Der Standardortungsservice SPS

Standard-Ortungsservice (Standard Positioning Service, Abkürzung SPS). Die hierfür verwendete codierte PRN-Impulsfolge nennt man C/A-Code. Der Name C/A steht für coarse/access und heißt übersetzt "grober Zugang". Dieser Code, der jedem zivilen Nutzer zur Verfügung steht, wird vom US-Militär aus Gründen der Sicherheit künstlich verschlechtert, so dass die Genauigkeit auf 100m herabgesetzt wird. Der Name dieses Verschlechterungsverfahrens heißt Selective Availability (SA). Dabei werden falsche Zeiten und/oder falsche Bahndaten möglichst unvorhersehbar und unkorrigierbar gesendet.

Diese Abbildungen verdeutlichen die künstliche Verschlechterung der Positionsgenauigkeit. Die angezeigte Position streut bei ausgeschalteter SA nur geringfügig (linke Abbildung). Bei ausgeschalteter SA wirken sich die unvorhersehbaren Signalverfälschungen drastisch auf die Position aus (rechte Abbildung).

5.2.2 Der Präzisionsortungsservice PPS

Präzisions-Ortungsservice (Precise Positioning Service, Abkürzung PPS)

Die für diesen Ortungsservice verwendete PRN-Impulsfolge trägt die Bezeichnung P-Code. Der Buchstabe P steht für Precision. Um der Gefahr vorzubeugen, dass von politischen oder militärischen Gegnern ein falscher P-Code gesendet wird, der eine genaue Positionsbestimmung verhindern würde, setzt man ein Verfahren names Anti-Spoofing (engl.: to spoof, beschwindeln) ein. Dabei wird der P-Code verschlüsselt und ist somit fälschungssicherer; den verschlüsselten Code nennt man P(Y)-Code. Dieser Code ist vor allem militärischen Institutionen der USA vorenthalten, weshalb er im Folgenden nicht näher behandelt wird.

5.3 Länge und Form des C/A-Codes

Der C/A-Code wird ausschließlich auf dem Träger L1 ausgesandt. Schon deshalb wird die Genauigkeit für zivile Nutzer eingeschränkt, da sie mit nur einer Empfangsfrequenz durch die Ionosphäre verursachte Störungen mathematisch nicht eliminieren können. Um die folgenden Zusammenhänge beschreiben zu können, müssen vorher erst noch zwei Begriffe definiert werden. Als Chip wird ein Binärzeichen in einem Code (hier: dem C/A-Code) bezeichnet. Als Bit wird dagegen ein Binärzeichen in einem Datenstrom bezeichnet.

Der C/A-Code, der jeden Satelliten eindeutig kennzeichnet, besitzt eine Taktfrequenz von 1,023 MHz, die ebenso wie die Trägerfrequenzen durch Frequenzmultiplikatoren aus den Atomfrequenznormalen gewonnen wird. Da dieser Code eine Chiprate von 1,023*10⁶ Chip/s besitzt, ergibt sich eine Zykluslänge von 1ms.

5.4 Die Navigationsmitteilungen

Die Daten der Navigationsmitteilung, die eine Datenrate von 50 Bit/s besitzen, werden nun parallel zum C/A-Code ausgesandt. Um dies zu realisieren, wird eine Modulo-2-Addition auf die Daten und den Code angewandt, wie nebenstehende Abbildung zeigt. Da der Empfänger die C/A-Codes der Satelliten kennt, kann er durch erneute Modulo-2-Addition die Daten der Navigationsmitteilung rekonstruieren.

Die Navigationsmitteilungen werden jeweils in Paketen, sogenannten Rahmen, übertragen. Ein Rahmen hat einen Umfang von 1500 Bit. Bei einer Datenrate von 50 Bit/s dauert es also 30 Sekunden, bis dieser empfangen ist. Jeder Datenrahmen besteht aus fünf Unterrahmen, die jeweils 6 s lang sind. Jeder Unterrahmen beginnt mit dem Telemetrie Wort (TLM), welches u.a. den Aktualisierungsstand der Daten oder Diagnoseangaben enthält. Gefolgt wird es von einem Hand Over Word (HOW), welches Nutzer des PPS benötigen, um einen Zugang zu dem P-Code zu bekommen. Neben TLM und HOW enthalten die Unterrahmen folgende Daten:

• Unterrahmen 1: Uhren-Daten: Mit diesen Daten wird das Uhrenverhalten des betreffenden Satelliten in Form von Koeffizienten eines Fehlerpolynoms beschrieben. Der Empfänger kann damit und mit den im HOW übertragenen Uhrenparametern die absolute Zeit berechnen

• Unterrahmen 2+3: Bahn-Daten: Da die Sender nicht ortsfest sind, der Empfänger für die Positionsbestimmung jedoch den Ort kennen muss, werden in diesen beiden Unterrahmen Daten übermittelt, mit denen die Satellitenlaufbahn - und somit auch der Ort - berechnet werden kann. Ein Beispiel für solche Bahn-Daten ist etwa die große Halbachse der Satellitenbahnellipse oder deren Exzentrität
• Unterrahmen 4: Allgemeine Meldungen: In diesem Rahmen werden ASCII-(American Standard Code for Information Interchange) codierte Nachrichten übermittelt, die direkt auf dem Display des Empfängers angezeigt werden können.

• Unterrahmen 5: Almanach der Satelliten: Hier sind Daten enthalten, die die Bahn der anderen GPS-Satelliten beschreiben. Sie sind sehr ungenau und dienen nur zum groben Auffinden von Satelliten am Horizont, damit der Empfänger weiß, nach welchen Satelliten er überhaupt suchen muss. Da dieser Almanach sehr groß ist, passt er nicht in den Unterrahmen einer Navigationsmitteilung, sondern muss auf 25 aufgeteilt werden. Somit dauert dessen Übertragung 25 x 30 s, also 12,5 Minuten.

Mit Hilfe der empfangenen Daten kann nun das GPS-Empfangsgerät seine Position auf der Erdkugel eindeutig bestimmen. Dem Benutzer wird diese in Form von Längengrad-, Breitengrad- und Höhenangaben auf dem Display angezeigt.