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Das GPS-Signal

Industrie-Artikel 13. Oktober 2020

Der schwierigste Teil des Verständnisses von GPS ist das Signal selbst. Die Berechnung der Entfernung auf der Grundlage der Zeit ist recht einfach, und selbst die Trilateration (die wir uns in Kürze ansehen werden) ist nicht so kompliziert, wie es sich anhört, wenn man ein paar Diagramme hinzufügt. Aber das GPS-Signal und wie es funktioniert, ist ziemlich kompliziert.

Welche Informationen werden also an uns übermittelt? Das einzigartige Signal, das von jedem Satelliten gesendet wird, enthält zwei Codes und eine Nachricht:

  • C/A-Code (Grob-/Erfassungscode)
  • P-Code (Präzisionscode) [in seiner verschlüsselten Form Y-Code genannt]
  • Nachricht zur Navigation

Der P-Code ist für den militärischen Gebrauch verschlüsselt und kann daher ignoriert werden. Er ist verschlüsselt, um Spoofing zu verhindern und zu kontrollieren, wer Zugang zum System hat. Übrigens wird der P-Code, sobald er verschlüsselt ist, als Y-Code bezeichnet.

 

Spediteur

Trägerwelle

Es werden zwei Trägerwellen verwendet:
Ll = 1575,42 MHz
L2 = 1227,60 MHz

K/A

C/A-Code

Jeder Satellit moduliert seine eigenen einzigartigen Codes auf die Trägerwellen. Der C/A-Code, auf den Zivilisten zugreifen können, wird auf Ll. Er setzt sich aus 1.023 Bits zusammen.

Die Übertragung des gesamten Codes dauert eine Millisekunde und wiederholt sich endlos.

Nav

Nachricht zur Navigation

Neben dem C/A-Code wird auch eine Navigationsnachricht auf den Ll-Träger moduliert. Diese Nachricht enthält viele wichtige Informationen und ist ziemlich lang. Wegen der relativ langsamen Sendegeschwindigkeit dauert es jedoch 12,5 Minuten, um eine vollständige Nachricht zu senden.

P

P-Code

Ein zweiter eindeutiger Code wird sowohl dem Ll- als auch dem L2-Träger aufmoduliert. Dieser Code ist für militärische Zwecke verschlüsselt und kann nicht von Zivilisten verwendet werden. Er enthält viel mehr Bits und wird mit einer höheren Geschwindigkeit gesendet, wodurch autorisierte Benutzer die Positionsgenauigkeit mit viel höherer Genauigkeit berechnen können.

Als Zivilisten interessieren wir uns nur für den C/A-Code und die Navigationsnachricht. Der C/A-Code ist eigentlich eine binäre Zeichenfolge, die aus 1.023 Bits besteht. Auf den ersten Blick scheint die Sequenz völlig zufällig zu sein - ist sie aber nicht. Die Sequenz wurde sorgfältig zusammengestellt, so dass, wenn Sie die Sequenz auf zwei Pauspapierstreifen ausschreiben und diese übereinander legen, es nur eine Stelle gibt, an der sie übereinstimmen (wie hier gezeigt).

Binäre Zeichenfolge

Beispiel einer auf Papier geschriebenen binären Zeichenfolge.

Auf Spiel prüfen

Zwei Kopien werden auf Transparentpapier geschrieben und auf eine Übereinstimmung untersucht.

Keine Übereinstimmung

Wir sehen, dass es in dieser Position keine Übereinstimmung gibt.

Spiel

Die Sequenz stimmt in dieser Position überein.

Zweites Spiel

Wir sehen, dass die Sequenz auch an dieser Stelle übereinstimmt (wenn eine Kopie des Codes vollständig über der anderen liegt).

C/A-Code-Konstruktion

Der C/A-Code ist so konstruiert, dass die Sequenz nur an einer Stelle übereinstimmt.

Warum es wichtig ist, dass der C/A-Code nur an einer Position übereinstimmt, werden wir später untersuchen, wenn wir uns ansehen, wie die Entfernung zum Satelliten berechnet wird. Im Moment müssen wir nur wissen, dass der C/A-Code, den jeder Satellit sendet, für diesen Satelliten einzigartig ist, und dass er zwar eine zufällige Bitfolge zu sein scheint, es aber nicht ist. Tatsächlich folgt der Code einem präzisen deterministischen Muster, weshalb er oft als Pseudozufallsrauschen (Pseudo-Random Noise, PRN) bezeichnet wird.

Die Navigationsnachricht unterscheidet sich vom C/A-Code, da sie Daten enthält. Dazu gehören Informationen über Uhrenkorrekturen, den Zustand der Satelliten, Daten über Ephemeriden (genaue Umlaufbahn), Parameter des Ionosphärenmodells und Almanach-Daten (allgemeine Informationen über alle Satelliten in der Konstellation). Aufgrund der Menge der in der Navigationsnachricht enthaltenen Informationen und der relativ langsamen Übertragungsrate dauert es 12,5 Minuten, um die gesamte Nachricht zu senden.

Der letzte Teil des GPS-Signals, den wir uns ansehen müssen, ist der Träger selbst. Wie wir bereits gesagt haben, sendet jeder Satellit zwei Frequenzen - L1 bei 1575,42 MHz und L2 bei 1227,60 MHz. Alle drei Elemente (der C/A-Code, der Y-Code und die Navigationsnachricht) werden auf den Träger L1 moduliert, während nur der Y-Code auf den Träger L2 moduliert wird. Während jedoch zivile Benutzer den Y-Code nicht vom L2-Träger demodulieren können, können wir uns die L2-Trägerwelle selbst zunutze machen, wie wir in "Was sind differentielle Korrekturen oder DGPS? ‘.

Der C/A-Code wird mit 1.023 Mb/s auf die Trägerwelle moduliert. Die Navigationsnachricht wird mit 50 b/s auf den Träger aufmoduliert.

Dies ist einer der Artikel in unserem 'Was ist GNSS?' Reihe.

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Ashburn, US