Technische Konzeption des NAVSTAR-GPS

Das System NAVSTAR-GPS umfaßt die in Abbildung 1 genannten Segmente.

Abbildung 1: Segmente des GPS

Technische Realisierung der Signallaufzeitbestimmung / Entfernungsbestimmung

Neben der Aufgabe des Codes den Satelliten eindeutig zu identifizieren, dient er gleichzeitig für die Laufzeitbestimmung der Signale und damit der Entfernungsbestimmung. Die Phasenverschiebung, die notwendig ist, um die im Empfänger erzeugte Kopie des Codes mit dem ankommenden Signal zu synchronisieren (Korrelation), ist gleichzeitig ein Maß für die Signallaufzeit vom entsprechenden Satelliten zum Empfänger. Dazu zählt man im einfachsten Fall die Verschiebungen um einen Chip, die notwendig sind, die in Abbildung 2 dargestellte Synchronisation zu erreichen.

Abbildung 2: Code- bzw. Chipverschiebung zur Laufzeitbestimmung

Da die Chiplänge bekannt ist, folgt daraus unmittelbar eine Laufzeitdifferenz bezogen auf den im Empfänger erzeugten Vergleichscode.

Weltraumsegment (spacesegment)

Satellitenanzahl:	24 (21 + 3 Reserve)
Satelliten Typ:	Block II Satelliten (Größe: 5,20m / Masse: 862 kg)
Lebensdauer:	konzipiert für 5 Jahre (im Mittel)
Flughöhe:	20.183 km (MEO - medium earth orbit)
Bahnanzahl:	6 (4 Satelliten pro Bahn)
Sichtbarkeit:	4 Satelliten an jedem Ort der Erde
Inklination:	55° bezogen auf den Äquator
Erdumlaufdauer:	12h (früher 11h 58 min)
Energieversorgung:	Solarenergie mit Raumlageregelsystem (Pufferung durch Akku)
Antenne:	Trägerausstrahlung mit annähernder Rundcharakteristik ( omnidirektional)

Bodenkontrollsegment (ground control)

Die Satelliten sind so konzipiert, daß ihre Funktionen automatisch ablaufen und sie sich selbst kontrollieren. Um jedoch ein Maximum an Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei der Positionsbestimmung zu gewährleisten, werden die Satelliten durch ein Kontrollzentrum überwacht.

1 x Hauptstation Colorado Springs (Uploading Station - Master Control Station)

deren Aufgaben sind:

Steuerung und Kontrolle der Verbindungs - und Kontrollstationen
Berechnung der Ephemeriden für jeden Satelliten
Berechnen der Daten für das Almanach
Berechnen der Korrekturen für die "Uhren" in den Satelliten
Zusammenstellen von Zeit- und Formatdaten

3 x Verbindungsstationen Ascension Islands
Diego Garcia
(Kwajalein)

5 x Kontrollstationen Colorado Springs (MCS = Monitorstationen)
Ascension
Kwajalein
Hawaii
Diego Garcia

Die Nachrichtenverbindung Boden - Satellit über die Verbindungsstationen für die Aktualisierung der Satelliten alle 24 (8) Stunden arbeitet im S-Band [2...4 GHz].

Nutzersegment (GPS-receiver)

Das Nutzersegment umfaßt alle Nutzer mit ihren verschiedenartigen GPS-Empfängern.

Funktionen eines GPS-Empfänger:

Träger L₁ und L₂ empfangen
C/A-Code von jedem der vier empfangsgünstigsten Satelliten erfassen (Signalacquisition) und demodulieren
Codesequenz - Synchronisation vollziehen
Satellitendaten (Navigationsmitteilung) aus dem C/A-Code demodulieren
Übergabe des C/A-Code - Signals zum P-Code - Signal (sofern erwünscht)
C/A-Code (P-Code) von jedem der vier empfangsgünstigsten Satelliten erfassen (Signalacquisition) und demodulieren
Berechnung der Pseudoentfernung von jedem der vier Satelliten
Berechnung der Zeitabweichung
Messen der Dopplerfrequenzverschiebung zur Berechnung der Eigengeschwindigkeit
Pseudoentfernungen, Zeitabweichungen, Dopplerfrequenzverschiebungen und Satellitendaten an den Navigationsprozessor transferieren

Je nach Anwendungsfall werden im Navigationsprozessor die Daten zu folgenden Angaben verarbeitet und gegebenenfalls mit anderen Ortungs- und Navigationssystemen verknüpft:

erdbezogene dreidimensionale Koordinaten des momentanen Standortes des Nutzers (z.B. WGS 84)
zielweisende Informationen
Geschwindigkeit nach Betrag und Richtung (Vektor)
Kurs- und Entfernungsangaben zu wählbaren Punkten (Zielführungssysteme, Pathfinder)
Uhrzeitangaben (globale Systemzeit sehr hoher Genauigkeit)

Die für die Genauigkeit der Entfernungsmessung maßgebende Funktion liegt in dem Vorgang des Erfassens (Acquisition), Nachführung, Synchronisation und Einrasten der Codesequenzen im Rahmen eines Korrelationsprozesses. Für den Empfänger ist es relativ einfach, den C/A-Code zu erfassen, und auf ihn einzurasten. Die für das Einrasten erforderliche Phasenverschiebung wird als Laufzeit bzw. Pseudolaufzeit bezeichnet. Sie beinhaltet die Abweichung der Uhr des Nutzers sowie die Laufzeitverzögerungen in der Ionosphäre. Mit dem C/A-Code wird eine Genauigkeit erreicht (100m), die der Laufzeit eines Bruchteils der reziproken Taktfrequenz entspricht.

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