Die meisten GNSS-Empfänger (Global Navigation Satellite System) bestehen aus zwei Teilen: der Antenne und der Verarbeitungseinheit oder dem Empfänger. Die Antenne ist der Ort, an dem die Satellitensignale empfangen werden, während der Empfänger die empfangenen Informationen verarbeitet und in für uns verständliche Messwerte wie Breiten- und Längengrad umwandelt. Bei Systemen mit zwei Antennen werden diese normalerweise als "primäre" und "sekundäre" Antennen bezeichnet. Das abgebildete Gerät RT3000 verfügt über zwei eingebaute GNSS-Empfänger.
Obwohl die GNSS-Empfänger die ganze Arbeit erledigen, beziehen sich die tatsächlichen Messungen, die sie erzeugen, auf die Position der Antennen selbst. Dies ist wichtig zu bedenken, da die Länge der Antennenkabel bedeutet, dass ein Empfänger manchmal ziemlich weit von den Messungen der Ausgangsposition entfernt sein kann. Bei Satellitennavigationsgeräten und alltäglichen GPS-Produkten spielt dies keine Rolle, da sie ohnehin selten eine Genauigkeit von mehr als mehreren Metern erreichen können.
Es ist wichtig zu erkennen, dass sich die Berechnungen über Position, Geschwindigkeit und Höhe auf die Antenne selbst und nicht auf den Empfänger beziehen. Um zu verstehen, wie ein GNSS funktioniert, müssen wir das GNSS in Teile zerlegen und ein wenig über jedes einzelne verstehen. Da GPS das System ist, mit dem die Leute am besten vertraut sind, werden wir uns das einfach ansehen und es in drei Teile zerlegen:
- Das Raumsegment
- Das Kontrollsegment
- Das Benutzersegment
Das Raumsegment
Das Raumsegment betrifft die Satelliten in der Umlaufbahn. Im Jahr 2015 bestand die GPS-Konstellation aus 32 nicht geostationären Satelliten in mittlerer Erdumlaufbahn, wobei nicht alle Satelliten aktiv sind. Jeder Satellit umkreist einmal alle 11 Stunden, 58 Minuten und 2 Sekunden in einer durchschnittlichen Höhe von 20.200 km (das ist ein Orbitalradius von 26.571 km).
Die GPS-Satellitenkonstellation ist in sechs gleich weit voneinander entfernte Umlaufbahnen mit nicht weniger als vier Satelliten in jeder Ebene angeordnet. Diese Anordnung stellt sicher, dass von jedem beliebigen Punkt der Erde aus fast jederzeit mindestens vier Satelliten in 15° Höhe über dem Horizont zu sehen sind - obwohl es in Wirklichkeit meist mehr sind.
Obwohl sich die Satelliten in Alter und Design unterscheiden, bleibt ihr Funktionsprinzip dasselbe. Jeder enthält vier hochpräzise Taktgeber mit einer Grundfrequenz von 10,23 MHz, und sie senden ständig zwei Trägerwellen im L-Band aus, die mit Lichtgeschwindigkeit zur Erde zurückkehren. Diese Trägerwellen werden als L1 und L2 bezeichnet.
- Der L1-Träger hat eine Frequenz von 1575,42 MHz (10,23 MHz × 154 = 1575,42 MHz).
- Der L2-Träger hat eine Frequenz von 1227,60 MHz (10,23 MHz × 120 = 1227,60 MHz).
Die Trägerwellen sind wichtig, weil sie die Informationen vom Satelliten zurück zur Erde bringen, und es sind diese Informationen, die es unserem Empfänger ermöglichen, herauszufinden, wo wir uns befinden. Weitere Einzelheiten hierzufinden Sie auf unserer Seite über GPS-Signale.
Das Kontrollsegment
Das Kontrollsegment bezieht sich auf eine Reihe von Bodenstationen, die sich rund um den Globus (in Äquatornähe) befinden und die zur Verfolgung, Steuerung und Übermittlung von Informationen an jeden der GPS-Satelliten dienen. Dies ist eine wichtige Rolle, da die Taktgeber der einzelnen Satelliten unbedingt synchronisiert werden müssen - denn das gesamte System ist auf die Zeitplanung angewiesen.
Die Informationen, die in der Umlaufbahn an jeden Satelliten gesendet werden, sind ebenfalls von entscheidender Bedeutung, denn wir brauchen sie, um herauszufinden, wo der Satellit zum Zeitpunkt der Informationsübermittlung war. All diese Informationen werden an die Satelliten hochgeschickt und dann in der L1-Trägerwellen-Navigationsmeldung an Ihren GPS-Empfänger übertragen.
Das Benutzersegment
Das Benutzersegment ist der Teil, der die meisten Menschen interessiert. Zu diesem Segment gehören alle Personen und Gegenstände, die über einen GPS-Empfänger verfügen; Navigationsgeräte, Mobiltelefone, UAVs, Strafverfolgungsbehörden. Wie funktioniert es also?
Wie wir bereits gesehen haben, gibt es eine Konstellation von Satelliten, die über unseren Köpfen kreisen und einen ständigen Strom von Informationen mit Lichtgeschwindigkeit zur Erde zurücksenden. Zu verstehen, wie dies zur genauen Bestimmung unseres Standortes beiträgt, braucht etwas Zeit, aber es beruht auf einem Prozess, der Trilateration genannt wird.
Bevor wir uns zu sehr darauf einlassen, sollten wir ein verbreitetes Missverständnis korrigieren. Zu keinem Zeitpunkt sendet der GNSS-Empfänger in Ihrem Satellitennavigationssystem oder Telefon irgendwelche Informationen an die Satelliten. Die Empfänger, die wir heute verwenden, sind völlig passiv - sie empfangen nur Informationen. Wenn das europäische Galileo-System in Betrieb ist, werden die Empfänger etwas anders sein, weil es eine Notfallfunktion geben wird, die Informationen sendet, wenn sie aktiviert sind, aber das gilt nicht für den normalen Betrieb.
Wenn man hört, dass etwas per GPS geortet wird, zum Beispiel ein gepanzertes Fahrzeug, dann passiert Folgendes. Der GNSS-Empfänger auf dem Fahrzeug empfängt Signale von den Satelliten und ermittelt, wo sich das Fahrzeug befindet. Sobald er seine Position kennt, sendet er diese Informationen über ein anderes System, z. B. eine GSM-Datenverbindung, an eine Überwachungsstation zurück.
Daher arbeiten die GNSS-Empfänger zunächst durch den Empfang von Signalen, die von den entsprechenden Satelliten im Orbit gesendet werden. Welche Signale verwendet werden, hängt von der Art des Empfängers ab. Ein GPS-Empfänger kann nur die Signale der GPS-Satelliten nutzen, während ein GLONASS-Empfänger nur die Signale der GLONASS-Satelliten nutzen kann. Es gibt jedoch noch eine andere Art von Empfänger, der tatsächlich Signale von beiden Satellitentypen (GPS und GLONASS) nutzen kann, um seine Messungen zu ergänzen.
So, jetzt haben wir besprochen, wie ein GNSS-Empfänger funktioniert. Um eine umfassende Antwort auf die Frage "Was ist GNSS?"zu geben, müssen als nächstes die GPS-Empfängeruntersucht werden .
