Month: March 2022

Es ist kein Geheimnis, dass eine unserer Lieblingsfunktionen die Möglichkeit ist, GPS für die Navigation zu nutzen, sei es direkt am Handgelenk oder über das Smartphone. Aber das GPS ist bereits sehr präzise. Wozu also das Dual-Frequenzband-GPS?

WAS IST DUAL-FREQUENZBAND-GPS?

Die Abbiegehinweise in Ihrer Navigations-App sind das Ergebnis eines GPS-Signals, das von einem Satelliten empfangen wird. Wie alle elektronischen Signale arbeitet auch das GPS mit einem bestimmten Frequenzsystem. Der Frequenzbereich, in dem das Signal arbeitet, wird als Frequenzband bezeichnet, und es gibt mehrere Frequenzbänder. Heute arbeiten die meisten GPS-Systeme auf einem einzigen Frequenzband – dem so genannten L1-Band (mehr dazu später).

Um die Genauigkeit der Ortung zu erhöhen, kann ein Gerät gebaut werden, das ein zusätzliches Frequenzband verwendet. Dies wird als Zweifrequenz-GPS bezeichnet.

Schauen wir uns den Unterschied zwischen Single- und Dual-Frequency-GPS im Detail an.

EINZEL- VS. DUAL-FREQUENZ-GPS

Der wichtigste Unterschied besteht darin, dass ein herkömmliches Einfrequenz-GPS eine Genauigkeit von bis zu 5 Metern bietet, während ein Zweifrequenz-GPS eine Genauigkeit im Zentimeterbereich erreichen kann.

Wie bereits erwähnt, verwenden die meisten Einfrequenzgeräte seit Jahren das L1-Band. Die größte Einschränkung des L1-Bandes besteht darin, dass das Signal keine hohen Objekte, atmosphärische Verzerrungen oder sogar dichtes Blattwerk auf dem Weg umgehen kann. Dies führt zu Ungenauigkeiten.

WIE FUNKTIONIERT DAS PRÄZISIONS-DOPPELFREQUENZ-GPS?

Das Hauptziel eines Zweifrequenzsystems besteht darin, die Qualität des Eingangssignals zu verbessern, indem Rauschen reduziert und Fehler beseitigt werden. Ein wichtiger Fehler, der die Signalverarbeitung behindert, ist der so genannte Mehrwegfehler

Was sind Mehrweg-Fehler?

Wenn Sie Navigationsdaten anfordern, verwenden Sie Ihre Uhr (oder Ihr Telefon) als Empfänger, der Signale und Informationen von einem Satelliten, dem Sender, anfordert. Nun muss das Signal vom Satelliten (Sender) zu Ihrem Gerät (Empfänger) gelangen.

Der Weg zwischen den beiden ist nicht eindeutig, und es liegen viele Objekte dazwischen, von größeren Objekten wie Wolkenkratzern bis hin zu kleineren Objekten wie Partikeln in der Ionosphäre. Das Signal wird von diesen Objekten reflektiert und bildet mehrere Signalwege. Diese reflektierten, neuen Signalwege enthalten keine nützlichen Informationen.

Dies führt zu Fehlern in den empfangenen Informationen, die als Mehrwegfehler bezeichnet werden und behoben werden müssen.

Wie stärkt das L5-Frequenzband die GPS-Signale?

Das L5-Band hat viele Vorteile gegenüber dem L1-Band, wie z. B. höhere Leistung und höhere Genauigkeit, aber ein Hauptvorteil ist seine Fähigkeit, unerwünschte reflektierte Signale zu erkennen, die durch Mehrwegfehler verursacht werden. Sobald die L1- und L5-Bänder in Betrieb sind, identifizieren sie unerwünschte Signale und stellen sicher, dass sie die Ausgangsinformationen am Empfänger nicht beeinflussen.

Ein weiterer Parameter, den wir kennen müssen, ist die Spanrate – die Anzahl der Impulse pro Sekunde, die gesendet oder empfangen werden. Die Spanrate der L5-Signalbänder ist fast zehnmal so hoch wie die der L1-Signalbänder. Die Fähigkeit zur Fehlerreduzierung ist direkt proportional zur Spanrate. Daher werden Fehler und Rauschen um das Zehnfache reduziert, wenn ein L5-Band verwendet wird.

BRAUCHEN SIE EIN ZWEIFREQUENZ-GPS-GERÄT?

Das Ziel eines Zweibandsystems ist es, die Genauigkeit der GPS-Daten zu verbessern. Aber seien wir ehrlich, es gibt nicht viele Nutzer, die sich über die derzeitige Einband-GPS-Technologie beschweren. Für wen ist das System also gedacht?

Ein renommiertes Mobilfunkunternehmen gab uns während der Einführungsveranstaltung ein anschauliches Beispiel: den Chicago-Marathon. Auf der Strecke des Marathons gibt es viele Wolkenkratzer, und wie bereits erwähnt, kann dies zu Ungenauigkeiten im GPS-Signal führen. Wenn Sie ein Abenteurer sind und sich oft in die Wildnis wagen oder in Gegenden leben, in denen es kaum Verbindungen gibt, ist das Zweifrequenzsystem genau das Richtige für Sie. Darüber hinaus, Ein top bewerteten mobilen Unternehmen auch eine Notfall-SOS via Satellit-Funktion für Ihre Sicherheit freigegeben.

Da diese Funktion auch bei der neuen Modellreihe vorhanden ist, sind wir sicher, dass ein weiterer Anwendungsfall die Verwendung dieses Systems zur sicheren Steuerung und Landung von Drohnen sein kann. Mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich können Sie Ihre Drohnen genau überwachen und positionieren.

Jetzt müssen wir abwarten, bis diese Geräte in der Praxis getestet werden, um zu sehen, wie sich das neue GPS verhält und ob es in mehr Situationen helfen kann, als wir uns vorstellen können.

Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung von GPS-Daten mit Doppelfrequenzcode/Trägerphase ein praktikables Instrument zur

Überwachung der Brückendurchbiegung. Dies ist auf die schnelle, fliegende Auflösung ganzer Mehrdeutigkeiten zurückzuführen

die durch die Verwendung von Zweifrequenzdaten möglich ist, um die breite Fahrspur zu

beobachtbar zu machen. Die Anwendungen von OTF-Doppelfrequenzdaten sind zahlreich, wobei OTF

Mehrdeutigkeiten in Sekunden aufgelöst werden. GPS-Empfänger mit Einzelfrequenzcode/Trägerphase sind weniger

teurer als Zweifrequenzempfänger, aber die Zeit, die benötigt wird, um ganzzahlige Mehrdeutigkeiten

OTF-Mehrdeutigkeiten zu lösen, liegt in der Größenordnung von 15 Minuten. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die breite Beobachtungsspur nicht

verfügbar ist. In der folgenden Abhandlung wird die mit Einfrequenzempfängern erzielbare Genauigkeit

Empfängern im Vergleich zu Zweifrequenzempfängern im Zusammenhang mit der Messung der Durchbiegung einer Brücke.

Anstelle von OTF wird eine Stop-and-Go-Technik verwendet, um ganzzahlige Mehrdeutigkeiten innerhalb weniger Minuten aufzulösen.

wenigen Minuten zu lösen.

Einführung

Die University of Nottingham (UoN) hat einen dreijährigen Zuschuss vom britischen

Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) einen Dreijahreszuschuss für die Erforschung von

Durchbiegungs- und Schwingungsüberwachung von Bauwerken, insbesondere von Brücken. Eines der festgelegten

eines der Ziele des Projekts ist die Verwendung kostengünstigerer Einzelfrequenzempfänger für diese Forschung.

Normalerweise sind Einfrequenz-Empfänger etwa halb so teuer wie Zweifrequenz-Empfänger. Die Forschung an

Die UoN forscht seit fast 10 Jahren auf dem Gebiet der Brückenüberwachung, und Zweifrequenz

Empfänger wurden mit guten Ergebnissen eingesetzt (Ashkenazi, et al. 1996; Roberts, et al. 1999; Roberts,

et al. 2001).

Einzelfrequenz-Empfänger haben den offensichtlichen Schwachpunkt, dass es länger dauert, ganzzahlige

Mehrdeutigkeiten zu Beginn einer Beobachtungssitzung und nach einem Zyklusfehler länger dauert als bei Empfängern mit zwei Frequenzen.

Frequenz-Empfängern. Typischerweise kann dies bei L1-Daten bis zu 30 Minuten dauern (Sharpe 1999),

während dies bei Zweifrequenzempfängern in den meisten Fällen auf weniger als eine Minute reduziert wird. Einige

Verarbeitungssoftware versucht bei Einfrequenzempfängern nicht einmal, ganzzahlige Mehrdeutigkeiten OTF aufzulösen.

Empfängern aufzulösen. Leica Geosystems’ Ski-Pro ist ein Beispiel für eine Software, die keine

die Einzelfrequenzdaten nicht OTF-gerecht verarbeitet. Da diese Software derzeit für die Verarbeitung

für die Verarbeitung der meisten Brückenüberwachungsdaten an der UoN verwendet wird, stellt dies ein Problem dar.

Für Einzelfrequenzdaten verwendet Ski-Pro eine “Stop-and-Go”-Verarbeitung, wobei eine statische Initialisierung von

eine statische Initialisierung von etwa 10 Minuten erforderlich ist, um eine ganzzahlige Mehrdeutigkeitsauflösung zu ermöglichen. Für die Test

Prüfstandbrücke, die derzeit verwendet wird, sind die Bewegungen sehr gering (maximal etwa 5

Zentimeter, in der Regel aber nur wenige Zentimeter), so dass diese Stop-and-Go-Methode zur Auflösung der Mehrdeutigkeiten verwendet werden kann.

um die Unklarheiten zu beseitigen. Wenn jedoch eine größere Brücke mit größeren Amplitudenbewegungen verwendet werden soll

Amplitudenbewegungen wäre diese Methode jedoch nicht geeignet, und es wäre eine Methode zur Beschleunigung der Auflösung ganzer Mehrdeutigkeiten

Mehrdeutigkeitsauflösung OTF benötigt werden würde.

In diesem Beitrag werden die Ergebnisse von Null-Basisversuchen, die auf dem UoN-Campus durchgeführt wurden, sowie die

Forschungsergebnisse aus einem Brückenversuch, der an der Wilford Suspension Footbridge in Nottingham durchgeführt wurde.

Proceedings, 11th FIG Symposium on Deformation Measurements, Santorini, Griechenland, 2003.

Ver f ahrung von zwei- und dreifrequenten Rover-Empfängern, die über einen Splitter an dieselbe Antenne angeschlossen sind

mit Doppel- und Doppelfrequenz-Referenzempfängern durchgeführt. Ergebnisse bei der Verwendung von rei

Referenzstationen (ca. 5 0 m von der Antenne entfernt) und 3,6 km entfernten Referenzstationen werden

verglichen.

Null-Basislinien-Versuche

An zwei aufeinanderfolgenden Tagen wurde im IESSG-Gebäude ein statischer Null-Basislinienversuch durchgeführt. Auf

ersten Tag wurden 2 Leica 510 Empfänger mit einer Frequenz über einen Splitter mit einer Leica

AT503 Drosselringantenne auf dem Dach des Gebäudes verbunden. Am zweiten Tag wurden 2 Doppelfrequenz

Leica 530 Empfänger über einen Splitter mit der Antenne an der gleichen Stelle verbunden. Die Idee

Die Idee war, die Daten der Zweifrequenz- und Einfrequenz-Empfänger unter ähnlichen Bedingungen zu vergleichen.

Aufgrund der Wiederholbarkeit der GPS-Konstellation würden die Empfänger an beiden Tagen die gleichen Satelliten sehen.

Tagen sehen. Die Zweifrequenzdaten wurden nach dem OTF-Verfahren verarbeitet, während die Einfrequenzdaten

hatten eine statische Initialisierung von 10 Minuten, bevor sie als kinematische Daten verarbeitet wurden. Null-Basislinien

Tests bedeuten, dass die meisten der mit GPS verbundenen Fehler aus der Lösung eliminiert werden, d. h.

Mehrwegeffekte, ionosphärische und troposphärische Verzögerungen, da sie bei beiden Empfängern genau gleich sind.

Übrig bleibt nur das unabhängige Empfängerrauschen.

Sie müssen drei GPS-Satelliten empfangen, um eine ungefähre Position zu berechnen. Ein vierter wird Ihnen eine sehr ungefähre Höhe liefern. Je mehr Satelliten in Sichtweite des Empfängers sind, desto genauer ist die Position.

Wie schafft es ein GPS-Empfänger, ein Signal zu empfangen, das 10 Größenordnungen schwächer ist als das Hintergrundrauschen?

GPS wie die meisten linearen Spreizspektrumsignale (nicht Hopping-Spreizspektrumsignale) beruhen auf einem Verarbeitungsgewinn, der sich aus dem Prinzip der angepassten Filterung ergibt. Der Verarbeitungsgewinn ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen der Übertragungsbandbreite und dem Basisband.

Die angepasste Filterung ist optimal, weil sie das Verhältnis zwischen Filterausgang und Rauschen zum Zeitpunkt der Ankunft des Signals maximiert.

Wenn man den Empfänger an das Signal anpasst, ist der Wert am Ausgang des Empfängers zum Zeitpunkt des Eintreffens des Signals gleich der Gesamtenergie des Signals, unabhängig davon, wie lang dieses Signal ist. Die gesamte Energie des Signals summiert sich zu diesem Zeitpunkt.

Dies sind die Grundlagen der Signalverarbeitung im Zusammenhang mit der Impulsantwort, der Autokorrelation und den Kreuzkorrelationen von Signalen. Die einfachsten Formen sind Signale, die wie Pseudo-Zufallscodes aussehen und mit jedem Empfänger dekorrelieren, es sei denn, der Empfänger und das Signal entsprechen demselben Code.

Stellen Sie sich vor, Sie haben 10 binäre Zahlenfolgen, die Sie mit einem eingehenden Binärstrom abgleichen wollen. Wenn Sie Ihre Sequenz mit dem eingehenden Datenstrom multiplizieren und das Ergebnis addieren, erhalten Sie normalerweise einen Wert nahe Null. Aber wenn es eine Übereinstimmung gibt, erhalten Sie den Wert 10, weil Sie 10 Codes haben, nach denen Sie suchen. Stellen Sie sich nun vor, der Code ist 1M lang. Das Signal korreliert von praktisch Null bis 1^6. Dies kann das Signal aus dem Rauschen herausziehen.

Normalerweise verwendet man eine pseudozufällige Wellenform für das Signal, und so geht der Ausgang des Empfängers im Grunde von zufälligem Rauschen zu einer Spitze über, wenn der Filter und das Signal aufleuchten. Der Verarbeitungsgewinn hängt mit der Anzahl der Taktzyklen zwischen den GPS-Messungen zusammen.

Es gibt also eine 1Mhz-Zählgeschwindigkeit und die Messungen erfolgen einmal pro Sekunde. Das ist ein Verarbeitungsgewinn von 10 log (10^6). Das ist so, als würden sich alle 1 Million Bits bei einer Messung zu 1 Million addieren und bei der nächsten Messung im Durchschnitt zu Null werden.

Abgestimmte Filterung ist die Grundlage für alle optimalen Erkennungsstrategien, einschließlich Bildverarbeitung, Mustererkennung und maschinelles Lernen.

Warum brauchen alte GPS-Geräte so lange, um ein Satellitensignal zu empfangen?

Selbst neue GPS-Geräte, die eine Weile nicht benutzt wurden, müssen einen Kaltstart durchführen. In diesem Zustand verfügt das Gerät über keinerlei Informationen, mit denen es arbeiten kann, und es muss immer wieder versuchen, einen Satelliten zu finden. Zu diesem Zeitpunkt kann es neue Almanach- und Ephemeridendaten von diesem Satelliten abrufen. Wenn ich mich recht erinnere, beträgt die durchschnittliche Zeit bis zum ersten Fix bei einem Kaltstart etwa 12 Minuten.

Wenn der GPS-Empfänger Almanach- und Ephemeridendaten aus einer anderen Quelle, z. B. aus dem Internet, beziehen kann, kann er viel schneller einen Fixpunkt ermitteln. Ältere Geräte haben diese Möglichkeit nicht.

Verwenden Panzer GPS?

Ja. Es gibt etwas namens FBCB2 – Force XXI Battle Command Brigade and Below. Dabei handelt es sich um eine Art Laptop/Tisch mit angeschlossenem GPS, der über Funk oder Satellit vernetzt ist und alle “blauen Kräfte” (d. h. befreundete Truppen) in der Umgebung anzeigt.

Außerdem können sie Nachrichten an die anderen Verbündeten senden.

Es ist auch in vielen anderen Fahrzeugen eingebaut. Es gibt ihnen ein “Situationsbewusstsein”.

Wie kann ich ein GPS-Signal abfangen?

Das Signal als Ganzes kann nicht wirklich “gekapert” werden. Es wird von ein paar Dutzend Satelliten in einer ziemlich hohen Umlaufbahn übertragen, und man kann nicht an sie herankommen. Die Satelliten werden mit Daten vom Boden aktualisiert, aber ich nehme an, dass diese Verbindung sehr gut geschützt ist.

Man kann einen einzelnen GPS-Empfänger oder mehrere in unmittelbarer Nähe “entführen”, indem man eine Reihe von gefälschten GPS-Signalen sendet, die stärker sind als die echten, von den Satelliten gesendeten Signale. Das ist schwierig, denn man muss eine Reihe von gefälschten Signalen berechnen, die die echten Signale aller in Sichtweite befindlichen Satelliten ersetzen, und zwar so, dass der Empfänger eine falsche Position meldet, die aber nicht offensichtlich falsch ist. Dann muss man dafür sorgen, dass das gefälschte Signal in der Nähe der Antenne des GPS-Empfängers gesendet wird, ohne dass es jemand bemerkt.