Warum werden bei GPS nur zwei Signale verwendet? Wären mehr als zwei Signale nicht genauer?

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.