Das GPS-Signal

Die Entfernungsberechnung auf der Grundlage der Zeit ist recht einfach, und auch die Trilateration (auf die wir gleich noch eingehen werden) ist nicht so kompliziert, wie es klingt, wenn man ein paar Diagramme hinzufügt. Aber das GPS-Signal und seine Funktionsweise sind ziemlich kompliziert.

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

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

Der P-Code ist für militärische Zwecke verschlüsselt und kann daher ignoriert werden. Er wird verschlüsselt, um Spoofing zu verhindern und um zu kontrollieren, wer Zugang zum System hat. Sobald der P-Code verschlüsselt ist, wird er übrigens als Y-Code bezeichnet.

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

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

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

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

Ein zweiter eindeutiger Code wird auf die Träger Ll und L2 aufmoduliert. Dieser Code ist für militärische Zwecke verschlüsselt und kann von Zivilisten nicht verwendet werden. Er enthält viel mehr Bits und wird mit höherer Geschwindigkeit gesendet, was autorisierten Nutzern eine wesentlich genauere Positionsberechnung ermöglicht.

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

Warum es wichtig ist, dass der C/A-Code nur an einer Stelle übereinstimmt, werden wir später bei der Betrachtung von wie die Entfernung zum Satelliten berechnet wird. Für den Moment müssen wir nur wissen, dass der C/A-Code, den jeder Satellit sendet, nur für diesen einen Satelliten gilt und dass er zwar eine zufällige Bitfolge zu sein scheint, es aber nicht ist. Der Code folgt in Wirklichkeit einem präzisen deterministischen Muster und wird daher oft als pseudozufälliges Rauschen (PRN) bezeichnet.

Die Navigationsnachricht unterscheidet sich vom C/A-Code, da sie Daten enthält. Dazu gehören Informationen über Uhrenkorrekturen, den Zustand der Satelliten, Ephemeriden (genaue Bahndaten), Ionosphärenmodellparameter und Almanachdaten (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, die gesamte Nachricht zu senden.

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

Der C/A-Code wird mit 1,023 Mb/s auf die Trägerwelle moduliert. Die Navigationsnachricht wird mit 50 b/s auf die Trägerwelle aufmoduliert.

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