Navigationssystem GPS
Bild 1: Precise Lightweight GPS Receiver der Bundeswehr
Bild 2: Satelitenbahnen um die Erde
Bild 2: Satelitenbahnen um die Erde
GPS steht für Global Positioning System, was man mit „weltweit einsetzbares Ortungssystem“ übersetzen könnte. Eine andere gebräuchliche Abkürzung ist NAVSTAR. Dieses Kunstwort kann sowohl mit Navigation Star (Navigations- Stern) als auch Navigation System with Time and Ranging (Navigationssystem mit Zeit und Abstandsbestimmung) bedeuten. Seit 1995 ist dieses System betriebsbereit. Es werden zwei Codes gesendet. Den C/A- Code (Clear Acquisiton oder Coarse Aquisition = freier Zugang oder Groberfassung) und den P- Code (Protected oder Precise Code = geschützter oder Präzisionscode).
Zur Zeit umkreisen 24 Satelliten auf insgesamt sechs Satellitenbahnen (in der Grafik als A bis F bezeichnet) die Erde. Die einzelnen Bahnen sind 55° gegen den Äquator geneigt und in der Äquatorebene um 60° gegeneinander versetzt. Etwa 20200 km beträgt die Höhe der Satelliten über der Erdoberfläche. In fast 12 Stunden führen sie einen vollen Umlauf aus. Die Bahnen sind so gewählt worden, dass mit Ausnahme an den Polkappen weltweit und jederzeit mindestens vier Satelliten gleichzeitig genutzt werden können. Ein weiteres Kriterium für die Bahnwahl war, dass die Satelliten nach 24 Stunden wieder über dem gleichen Punkt der Erde stehen. Dadurch sind die erforderliche Bahnverfolgung, Überwachung und Dateneingabe in den Satellitenspeicher wesentlich erleichtert. Die gewählten Bahnen gestatten es auch, die Satelliten vom Territorium der USA aus zu überwachen und zu steuern. Die Master Control Station befindet sich in Colorado Springs.
Jeder Satellit sendet neben einer Kennung seine Position und ein genaues Zeitzeichen. Der GPS-Empfänger vergleicht die empfangene Zeit mit seiner eigenen Uhr und kann so (durch Laufzeitmessung des Signals) die Entfernung zum Satelliten bestimmen. Für eine Standortbestimmung müssen mindestens drei Satelliten empfangen werden, somit ist jeweils die Entfernung zu drei bekannten Punkten durch den GPS-Empfänger messbar. Aus diesen Daten kann der eigene Standort errechnet werden.
Bild 3: Blockschaltbild eines GPS-Empfängers
Bild 3: Blockschaltbild eines GPS-Empfängers
Bild 3: Blockschaltbild eines GPS-Empfängers
C/A - Code
Der C/A - Code wird auf der Frequenz 1575,42 MHz übertragen. Auf diese Frequenz ist eine 1 ms lange Folge von positiven und negativen Impulsen moduliert. Da diese Folgen von positiven und negativen Impulsen beliebig gewählt werden kann, spricht man von einem quasi- zufälligen Signal (PRN - Code, Pseudo Random Noise Code). Jeder Impuls besitzt eine Länge von 1µs.
Bild 4: Teilstück des von einem GPS - Satelliten gesendeten C/A - Codes
Das gleiche Signal ist auch im Empfänger gespeichert. Mit den mathematischen Methoden Kreuzkorrelation (zum Messen des Laufzeitunterschiedes des empfangenen Signals mit dem gespeicherten Signal) und nachfolgender Iteration (zur Unterdrückung von Mehrdeutigkeiten) wird die Positionsbestimmung bis auf 1% eines Bits durchgeführt. Somit wird diese Messung (dies bedingt aber sehr lange Messzeiten) bis etwa 3 m genau.
Zusätzlich zum Code wird eine Navigationsnachricht übertragen. Diese Nachricht enthält 1500 Bit, die mit einer Übertragungsrate von 50 Bit/s gesendet wird. Zur vollständigen Übermittlung sind also 30 Sekunden erforderlich.
P- Code
Der nichtauthorisierte Nutzer, in der Regel also der zivile Anwender, hat nur Zugang zum
weniger genauen C/A- Code oder zum SPS (Standard Positioning Service), nicht dagegen zum
PPS (Precise Positioning Service).
Im Jahre 1996 kam es zu einem Regierungsabkommen zwischen den USA und Deutschland, welches
die Nutzung des P-Codes durch die Bundeswehr regelt.
Bild 5: Precise Lightweight GPS Receiver im Flugabwehrraketensystem ROLAND.
Der P- Code wird auf der Frequenz 1227,60 MHz übertragen und ist wesentlich länger als der C/A- Code, nämlich rund 266 Tage. Von diesem langen Code wird aber nur ein sieben Tage langes Teilstück tatsächlich verwendet. Die Dauer eines Bits beträgt hier nur 100 ns. Rein rechnerisch beträgt hier die Genauigkeit der Positionsbestimmung 30 cm.