Welchen RF-Bereich nutzen die GPS-Signale? Wie groß ist die Bandbreite, die pro Gerät genutzt wird? Wie funktioniert die Interaktion der GPS-Signale?
GPS ist ein Rundfunksystem, das auf 1575,42 MHz und 1227,60 MHz arbeitet.
Jeder Satellit ist ein relativ einfaches Rundfunkradio, das an eine Atomuhr angeschlossen ist. Der Sender nutzt die Atomuhr zur Frequenz- und Phasensteuerung, um ein Signal zu erzeugen, das es einem Empfänger ermöglicht, die Zeit sehr genau zu bestimmen. Diesem Signal sind einige digitale Daten aufmoduliert, die es dem Empfänger ermöglichen, genau zu wissen, wo sich der Satellit befindet (diese Daten werden in regelmäßigen Abständen vom Boden aus aktualisiert).
Der Empfänger macht die ganze Arbeit. Er holt sich den Datenkanal, die Ephemeriden und vier Zeitsignale. Diese Zeitsignale unterscheiden sich alle geringfügig voneinander, was genügend Informationen liefert, um herauszufinden, wie weit der Empfänger von den einzelnen Satelliten entfernt ist und somit, wo er sich befindet.
Es gibt keine Kommunikation zwischen dem Empfänger und den Satelliten.
Wie viele GPS-Empfänger bräuchte man, um alle Signale der GPS-Satelliten auf einem Quadratkilometer vollständig zu verbrauchen?
Genug, um jeden Quadratmillimeter dieses Gebiets abzudecken.
Es gibt keine Möglichkeit, das Signal von einem GPS-Satelliten “aufzusaugen”. Entweder hat ein Empfänger eine direkte Sichtlinie zu einem Satelliten oder nicht. Dinge können im Weg sein – eine sehr dünne Alufolie zum Beispiel würde alle GPS-Übertragungen abschirmen. Wenn sich jedoch nichts in der Sichtlinie befindet, können Dinge an der Seite das Signal nicht “auffressen”.
Wie funktioniert das Zweifrequenz-GPS?
So wie ich es verstehe, funktioniert es in etwa so:
Die Hauptursache für die Ungenauigkeit der GPS-Ortung, die in der Regel zu einer Positionsunsicherheit von mindestens 5 bis 10 Metern führt, ist die Brechung der Satellitensignale durch die Atmosphäre, insbesondere durch die Ionosphäre.
Die Idee des Zweifrequenz-GPS ist, dass die Satelliten ihre Signale nicht mit einem, sondern mit zwei Sendern aussenden, die jeweils auf einer leicht unterschiedlichen Frequenz arbeiten. Jeder für sich würde dem Empfänger Informationen liefern, um seine Position mit einer Genauigkeit von 5 bis 10 Metern zu berechnen.
Kombiniert man jedoch die Signale beider Sender, kann man die durch die Atmosphäre verursachte Positionsunsicherheit fast vollständig ausschalten, da beide Frequenzen durch die Atmosphäre um einen bekannten, unterschiedlichen Betrag verzerrt werden; jede Frequenz reagiert anders auf den atmosphärischen Brechungsindex.
Durch die Kombination von Signalen, die mit leicht unterschiedlichen Frequenzen gesendet wurden, von denen aber bekannt ist, dass sie von der gleichen Quelle – dem GPS-Satelliten – gesendet wurden, kann man das atmosphärische Positionsrauschen fast vollständig ausschalten.
Das ist der Grund, warum militärische GPS-Empfänger immer genauer waren als zivile: Sie hatten Zugang zu einem verschlüsselten zweiten Signal der Satelliten, so dass sie das atmosphärische Rauschen ausschalten konnten.
Soweit ich weiß – aber jemand, der sich damit auskennt, kann mich korrigieren -, ist es jetzt möglich, mit einigen cleveren mathematischen/rechnerischen Tricks das verschlüsselte Sekundärsignal zu verwenden und aus der ansonsten unsinnigen Trägerwelle in Kombination mit dem unverschlüsselten Primärsignal gerade genug Informationen herauszuholen, um fast die gleiche Leistung wie die militärischen Empfänger zu erzielen.
Welche Informationen sind in dem GPS-Signal enthalten?
[Ich kenne nicht alle Informationen, die in einem bestimmten von den GPS-Satelliten gelieferten Signal enthalten sein könnten, daher wird diese Antwort wahrscheinlich unvollständig sein.]
Die wichtigsten Informationen, die das Signal aller GPS-Satelliten enthält, sind die Kennung, die Konstellations-Ephemeride und die Zeit.
Das Signal eines jeden Satelliten enthält die Kennung des jeweiligen Satelliten in der Konstellation, von dem das Signal gesendet wurde. Dies ist zum einen erforderlich, um die Anforderungen der internationalen Vereinbarungen zu erfüllen, die alle Funkübertragungen regeln, zum anderen aber auch, um die Eigenschaften des Signals mit der Quelle zu verknüpfen, die bei der Verarbeitung der Daten zu dem gewünschten Ergebnis (in der Regel Zeit oder Standort) verwendet wird.
Die Ephemeriden sind eine Sammlung von Beschreibungen für die Umlaufbahn jedes Satelliten in der Konstellation. Damit lässt sich bestimmen, wo sich jeder Satellit zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet. Die Beschreibung enthält einen Startort und eine Startzeit sowie Einzelheiten zu den Eigenschaften der Umlaufbahn. Die Genauigkeit dieser Informationen ist begrenzt, so dass die Beschreibung in regelmäßigen Abständen aktualisiert werden muss. Außerdem altern die Satelliten und werden ausgetauscht, was eine Aktualisierung der Ephemeriden erfordert.
Die wichtigste Information, die das GPS-Signal liefert, ist die Zeit. Jeder Satellit verfügt über eine hochgenaue Atomuhr (oder zwei). Diese genaue Zeit wird ständig vom Satelliten gesendet.
Diese Elemente von mehreren Satelliten werden zusammen verwendet, um zu berechnen, wo sich der Empfänger befindet und wie spät es ist. Jeder Satellit, den Sie nutzen können, zeigt Ihnen an, wie weit Sie von diesem Satelliten entfernt sind. Sie benötigen mindestens 4 Satelliten, um Ihren Standort in 3 Dimensionen eindeutig bestimmen zu können. Sie können die Erde selbst anstelle eines dieser Satelliten verwenden, um einen Standort auf der Erdoberfläche zu bestimmen.
