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Betriebsweisen und Signalarten des Satellitennavigationssystems GPS

Erstellt am: 23.11.2004 | Stand des Wissens: 08.04.2020
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Bauhaus-Universität Weimar, Professur Verkehrssystemplanung, Prof. Dr.-Ing. Plank-Wiedenbeck

Beim Satelliten-Navigationssystem GPS (Global Positioning System) ist zwischen der Standard- und Präzisionsbetriebsweise und dazugehöriger Signalarten (L1, L2, L5 und L1C) zu unterscheiden. Betrieben wird das Satellitennavigationssystem GPS durch das US-amerikanische Verteidigungsministerium (Department of Defense, DoD). Aus sicherheitspolitischen Erwägungen wurde für zivile Zwecke lange Zeit nur ein Signal mit verminderter Präzision zur Verfügung gestellt, während ein genaueres, geschütztes Signal militärischen Anwendungen vorbehalten blieb.
Als Trägerfrequenz wurde das hochfrequente L-Band (1 bis 2 Gigahertz) gewählt. Es bietet eine verhältnismäßig große Bandbreite, die nur im Bereich höherer Frequenzen vorhanden ist. Zudem ist dieser Frequenzbereich hinsichtlich seiner Ausbreitungscharakteristik in der Ionosphäre günstiger, da höhere Frequenzen zu einer geringeren Laufzeitverzögerung führen. Das US-amerikanische GPS hat die Trägerfrequenzen 1575,42 Megahertz (L1), 1227,60 Megahertz (L2), 1176,45 Megahertz (L5) und L1C.
Frequenzbaende GPS.png
Abb. 1: GPS Trägerfrequenzbänder [eigene Darstellung basierend auf ITK15d; USGov19] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
Für den Informationstransfer wird die Trägerfrequenz mit einer Folge positiver und negativer Impulse, sogenannten Codes, moduliert [WWUd]. Während die L1-Frequenz den Coarse/Acquisition (C/A)- und Precise (P)-Code übermittelt, wird auf der L-2-Frequenz ausschließlich der P-Code übertragen. Das dritte zivile GPS-Signal (L5) ist seit 2010 verfügbar und wird vermutlich im Jahr 2020 mit 24 Satelliten fertig gestellt sein. Gekoppelt sind die verschiedenen Trägerfrequenzen an unterschiedliche Signalgenauigkeiten und einen dadurch festgelegten Nutzerkreis. 
Bildschirmfoto 2019-05-15 um 16.36.40.pngAbb. 2: GPS-Signal [eigene Darstellung basierend auf DP16e] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
Bildschirmfoto 2019-05-15 um 16.39.42.pngAbb. 3: GPS-Signalspektrum [eigene Darstellung basierend auf DP16e] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
Die USA planen beim Start neuer Satelliten eine vierte, zivile GPS-Frequenz (L1C) im gleichen Frequenzbereich, wie bereits L1 (1575,42 Megahertz) einzuführen. Der erste sog. GPS III Satellit im Frequenzband L1C wurde im Dezember 2018 ins All geschickt, doch eine Nutzung wird erst 2022/2023 möglich sein, wenn das neue und komplexe ground-control-system namens OCX etabliert wurde [SE19e]. Das gesamte GPS III System umfasst 24 Satelliten und soll im Jahr 2026 fertig gestellt werden. Dabei soll das System speziell zur Kompatibilität mit Global Navigation Satellite System (GNSS) entwickelt werden [MSNS11].
Die Standardbetriebsweise (Standard Positioning Service, SPS) ist ein für alle verfügbares Signal mit ursprünglich verminderter Genauigkeit. Dies geschieht über die Aktivierung der Selektiven Verfügbarkeit (Selective Availability, S/A), die zu Friedenszeiten so vorgesehen wird, dass mindestens eine horizontale Genauigkeit von 100 Metern gewährleistet bleibt. Es bestand darüber hinaus für die USA die Möglichkeit die Genauigkeit weiter zu verschlechtern. Zur Übertragung des vornehmlich zivil genutzten Signals wird der C/A-Code verwendet. Er besteht aus einer 1023 bit Pseudo-Random-Noise (PRN)-Impulsfolge (10,23 Megahertz), die es dem Empfänger ermöglichen soll das Satellitensignal schnell zu erfassen. Jeder Satellit verfügt über einen unterschiedlichen PRN-Code, der der Vermeidung von Verwechslungen durch den Empfänger dient. Der C/A-Code wird nur auf der L1-Frequenz übertragen. Die Abkürzung steht für clear/acquisition, clear/access oder coarse/access (umgangssprachlich häufig als civil access bezeichnet) und meint damit die freie Erfassung und den freien bzw. groben Zugang für alle [DoD01].
Das amerikanische Verteidigungsministerium hat zugesagt für den SPS als minimale Navigationssystemqualität für 95 Prozent der Zeit folgende Genauigkeit zu gewährleisten:
  • Horizontale Fehlergröße weniger als 36 Meter
  • Vertikale Fehlergröße weniger als 77 Meter
Tatsächlich ergeben sich in der praktischen Anwendung Genauigkeiten folgender Größe:
  • Horizontale Fehlergröße weniger als 10 Meter
  • Vertikale Fehlergröße weniger als 20 Meter
Der Präzisionsbetriebsweise (Precise Positioning Service, PPS) wird vom US-amerikanischen Verteidigungsministerium nur autorisierten Nutzenden zur Verfügung gestellt und ist damit vornehmlich militärischen Anwendungen vorbehalten. Die Genauigkeit wird offiziell mit 37 Metern beziffert. Der P-Code (10,23 Megahertz) wird sowohl auf der L1- als auch der L2-Frequenz übertragen. Der Zugriff auf den PPS-Signalcode wird durch Verschlüsselungstechnik geregelt.
Der SA-Code (Selective Availability) zur selektiven Verfügbarkeit beschränkt die höhere Signalqualität bei sicherheitskritischen Anwendungen auf den autorisierten Nutzerkreis. Dabei wurden nach einem Zufallsprinzip die Satelliten-Bahndaten und die Satelliten-Zeitsignal verfälscht.
Das so genannte Anti-Spoofing (AS) wird aktiviert, um eine Störung des Signals in Krisenzeiten durch Fremde zu verhindern. Der Verschlüsselungsvorgang macht den P- zum Y-Code, während der konventionelle C/A-Code nicht gegenüber Störungen geschützt ist. Die PPS- Empfangsstellen können den P (Y)-Code oder den C/A-Code verwenden. Die höchste Genauigkeit ist unter Verwendung des L1- und L2-Bandes mit P (Y)-Codes zu erreichen und der C/A-Code findet üblicherweise nur zur ersten Auffassung der GPS-Satelliten Verwendung.
Alle Empfänger, die nicht über die Technik bzw. den Schlüssel zur Aufhebung der SA- und AS-Sonderfunktionen verfügen, bleibt nur die degradierte SPS-Signalgenauigkeit. Die künstliche Signalverschlechterung wurde zum 1. Mai 2000 eingestellt. Durch die Aufhebung der Selective Availability ist die Genauigkeit des C/A-Code praktisch mit dem P(Y)-Code vergleichbar.
Ansprechpartner
Bauhaus-Universität Weimar, Professur Verkehrssystemplanung, Prof. Dr.-Ing. Plank-Wiedenbeck
Literatur
[DoD01] o.A. GPS Standard Positioning Service Performance Standard, 2001/10
[DP16e] Darius Plausinaitis GPS and other GNSS signals, 2016
[ITK15d] Wolfhard Gusek GNSS - GLOBALE NAVIGATIONS-SATELLITENSYSTEME - GPS, 2015/04/24
[MSNS11] Colonel Bernard Gruber GPS Modernization and Program Update, 2011/03/02
[SE19e] Sandra Erwin Air Force to upgrade existing GPS ground control system while next-generation OCX lags, 2019/01/09
[USGov19] U.S. government - National Coordination Office for Space-Based Positioning, Navigation, and Timing (Hrsg.) GPS - The Global Positioning System, 2019/06/20
[WWUd] Westfälische Wilhelms-Universität Münster (WWU) (Hrsg.) GPS in den Geowissenschaften - Signale und Codes, 2018
Weiterführende Literatur
[CAA04a] k.A. GPS Integrity and Potential Impact on Aviation Safety, 2004/04, ISBN/ISSN ISBN 0860399311
[ATA99] Corrigan, T. M. , Hartranft, J. F. , Levy, L. J. , Parker, K. E. , Pritchett, J. E. , Pue, A. J. , Pullen, S., Thompson, T. GPS Risk Assessment Study-Final Report, The Johns Hopkins University, 1999/01
[ECTR03t] o.A. Guidance Material for the Design of Terminal Procedures for Area Navigation (DME/DME, B-GNSS, Baro-VNAV and RNP-RNAV), 2003/03
[CAASD01] Tran, M., Kim, T., Hegarty, Dr C., Devincentis, J., Ericson, S. Validation of the Feasibility of Coexistence of the New Civil GPS Signal (L5) with Existing Systems, 2001
Glossar
GNSS Globale Navigationssatellitensysteme (englisch Global Navigation Satellite System) oder GNSS dienen der weltweiten Positionsbestimmung, sowie der Koordinaten- und Zeitübermittlung.
Global Positioning System Global Positioning System (GPS), offiziell NAVSTAR GPS, ist ein globales Navigationssatellitensystem zur Positionsbestimmung und Zeitmessung. GPS basiert auf Satelliten, die mit kodierten Radiosignalen ständig ihre aktuelle Position und die genaue Uhrzeit ausstrahlen. Aus den Signallaufzeiten können GPS-Empfänger dann ihre eigene Position und Geschwindigkeit berechnen.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?123035

Gedruckt am Sonntag, 26. September 2021 03:14:24