GPS-Signale - GPS signals

Künstlerische Konzeption des Satelliten GPS Block II-F in der Erdumlaufbahn
Ziviler GPS-Empfänger (" GPS-Navigationsgerät ") in einer Marineanwendung

GPS-Signale werden von den Satelliten des Global Positioning Systems ausgestrahlt , um die Satellitennavigation zu ermöglichen . Empfänger auf oder nahe der Erdoberfläche können anhand dieser Informationen Ort, Zeit und Geschwindigkeit bestimmen . Die GPS - Satellitenkonstellation wird durch den Betrieb 2. Space Operations Squadron (2SOPS) von Raum Delta 8 , Vereinigte Staaten Space Force .

GPS-Signale umfassen Entfernungsmesssignale, die verwendet werden, um die Entfernung zum Satelliten zu messen, und Navigationsnachrichten. Die Navigationsnachrichten enthalten Ephemeridendaten , die verwendet werden, um die Position jedes Satelliten in der Umlaufbahn zu berechnen, und Informationen über die Zeit und den Status der gesamten Satellitenkonstellation, genannt Almanach .

Es gibt vier GPS-Signalspezifikationen für den zivilen Gebrauch. In der Reihenfolge des Einführungsdatums sind dies: L1 C/A , L2C , L5 und L1C . L1 C/A wird auch als Legacy-Signal bezeichnet und von allen derzeit in Betrieb befindlichen Satelliten ausgestrahlt. L2C, L5 und L1C sind modernisierte Signale, werden nur von neueren Satelliten (oder noch gar nicht) ausgestrahlt und gelten ab Januar 2021 noch nicht als voll funktionsfähig für die zivile Nutzung. Darüber hinaus gibt es eingeschränkte Signale mit veröffentlichten Frequenzen und Chipraten , aber verschlüsselter Codierung, die nur von autorisierten Parteien verwendet werden soll. Ein eingeschränkter Gebrauch von eingeschränkten Signalen kann von Zivilisten immer noch ohne Entschlüsselung gemacht werden; dies wird als codeloser und semi-codeloser Zugang bezeichnet und offiziell unterstützt.

Die Schnittstelle zum User Segment ( GPS-Empfänger ) ist in den Interface Control Documents (ICD) beschrieben . Das Format ziviler Signale ist in der Interface Specification (IS) beschrieben, die eine Untermenge des ICD ist.

Gemeinsamkeiten

Die GPS-Satelliten ( in den Dokumenten zur GPS-Schnittstellenspezifikation als Raumfahrzeuge bezeichnet ) übertragen gleichzeitig mehrere Entfernungscodes und Navigationsdaten unter Verwendung von binärer Phasenumtastung (BPSK). Es wird nur eine begrenzte Anzahl von Zentralfrequenzen verwendet; Satelliten, die dieselbe Frequenz verwenden, werden durch die Verwendung unterschiedlicher Entfernungscodes unterschieden; mit anderen Worten, GPS verwendet Code Division Multiple Access . Die Entfernungscodes werden auch Chipping-Codes (in Bezug auf CDMA/ DSSS ), Pseudozufallsrauschen und pseudozufällige Binärsequenzen (in Bezug auf die Tatsache, dass sie vorhersagbar sind, aber statistisch gesehen Rauschen ähnelt) genannt.

Einige Satelliten übertragen mehrere BPSK-Ströme mit derselben Frequenz in Quadratur, in Form einer Quadratur-Amplitudenmodulation . Im Gegensatz zu typischen QAM-Systemen, bei denen ein einzelner Bitstrom in zwei Bitströme mit halber Symbolrate aufgeteilt wird, um die spektrale Effizienz zu verbessern , werden bei GPS-Signalen die gleichphasigen und die Quadraturkomponenten durch separate (aber funktionell verwandte) Bitströme moduliert.

Satelliten werden eindeutig durch eine Seriennummer namens Space Vehicle Number (SVN) identifiziert, die sich während ihrer Lebensdauer nicht ändert. Darüber hinaus sind alle in Betrieb befindlichen Satelliten mit einer Raumfahrzeugkennung (SV ID) und einer Pseudozufallsrauschnummer (PRN-Nummer) nummeriert, die die von einem Satellit verwendeten Entfernungscodes eindeutig identifiziert. Es gibt eine feste Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen SV-Kennungen und PRN-Nummern, die in der Schnittstellenspezifikation beschrieben sind. Im Gegensatz zu SVNs kann die SV-ID/PRN-Nummer eines Satelliten geändert werden (auch die von ihm verwendeten Entfernungscodes). Zu jedem Zeitpunkt wird jede SV-ID/PRN-Nummer von höchstens einem einzelnen Satelliten verwendet. Eine einzelne SV-ID/PRN-Nummer kann von mehreren Satelliten zu verschiedenen Zeitpunkten verwendet worden sein und ein einzelner Satellit kann zu verschiedenen Zeitpunkten verschiedene SV-ID/PRN-Nummern verwendet haben. Die aktuellen SVNs und PRN-Nummern für die GPS-Konstellation finden Sie bei NAVCEN .

Alte GPS-Signale

Das ursprüngliche GPS-Design enthält zwei Entfernungscodes: den Grob-/Erfassungs- (C/A)-Code, der der Öffentlichkeit frei zugänglich ist, und den eingeschränkten Präzisions- (P)-Code, der normalerweise für militärische Anwendungen reserviert ist.

Grob-/Erwerbscode

Die C/A-PRN-Codes sind Gold-Codes mit einer Periode von 1023 Chips, die mit 1,023 Mchip/s übertragen werden, wodurch der Code alle 1 Millisekunde wiederholt wird. Sie werden exklusiv mit einer 50-Bit/s- Navigationsnachricht verknüpft und die Ergebnisphase moduliert den Träger wie zuvor beschrieben . Diese Codes stimmen nur überein oder korrelieren stark autokorreliert, wenn sie fast genau ausgerichtet sind. Jeder Satellit verwendet einen einzigartigen PRN-Code, der nicht gut mit dem PRN-Code eines anderen Satelliten korreliert . Mit anderen Worten, die PRN-Codes sind stark orthogonal zueinander. Die 1-ms-Periode des C/A-Codes entspricht einer Entfernung von 299,8 km und jeder Chip entspricht einer Entfernung von 293 m. (Empfänger verfolgen diese Codes mit einer Genauigkeit von einem Chip, sodass Messfehler erheblich kleiner als 293 m sind.)

Die C/A-Codes werden durch Kombinieren (unter Verwendung von "exklusivem oder") 2-Bit-Strömen erzeugt, die von linearen Rückkopplungsschieberegistern (LFSR) mit maximaler Periode mit 10 Stufen erzeugt werden . Unterschiedliche Codes werden durch selektives Verzögern eines dieser Bitströme erhalten. Daher:

C/A i ( t ) = A ( t ) ⊕ B ( t - D i )

wo:

C/A i ist der Code mit der PRN-Nummer i .
A ist die Ausgabe des ersten LFSR, dessen Generatorpolynom xx 10 + x 3 + 1 ist und dessen Anfangszustand 1111111111 2 ist .
B ist die Ausgabe des zweiten LFSR, dessen Generatorpolynom xx 10 + x 9 + x 8 + x 6 + x 3 + x 2 + 1 ist und dessen Anfangszustand ebenfalls 1111111111 2 ist .
D i eine Verzögerung (um eine ganze Zahl von Perioden) ist, die für jede PRN-Zahl i spezifisch ist ; es ist in der GPS-Schnittstellenspezifikation angegeben.
⊕ ist exklusiv oder.

Die Argumente der darin enthaltenen Funktionen sind die Anzahl der Bits oder Chips seit ihrer Epoche, beginnend bei 0. Die Epoche der LFSRs ist der Punkt, an dem sie sich im Anfangszustand befinden; und für die gesamten C/A-Codes ist es der Beginn einer beliebigen UTC-Sekunde plus einer beliebigen ganzen Zahl von Millisekunden. Die Ausgabe von LFSRs bei negativen Argumenten ist in Übereinstimmung mit der Periode definiert, die 1.023 Chips beträgt (diese Bestimmung ist notwendig, weil B unter Verwendung der obigen Gleichung ein negatives Argument haben kann).

Die Verzögerung für die PRN-Nummern 34 und 37 ist dieselbe; daher sind ihre C/A-Codes identisch und werden nicht gleichzeitig gesendet (dies kann eines oder beide dieser Signale aufgrund gegenseitiger Interferenz unbrauchbar machen, abhängig von den relativen Leistungspegeln, die auf jedem GPS-Empfänger empfangen werden).

Präzisionscode

Der P-Code ist eine viel längere PRN-Sequenz als der C/A-Code: 6.187104 · 10 12 Chips (773.388 MByte). Obwohl die P-Code-Chiprate (10,23 Mchips/s) zehnmal höher ist als die des C/A-Codes, wird sie nur einmal pro Woche wiederholt, wodurch die Mehrdeutigkeit der Reichweite beseitigt wird. Es wurde angenommen, dass Empfänger einen so langen und schnellen Code nicht direkt erfassen können, sodass sie sich zuerst mit dem C/A-Code "booten", um die Ephemeriden des Raumfahrzeugs zu erfassen , eine ungefähre Zeit- und Positionsfixierung zu erstellen und dann den P-Code zu erfassen um die Lösung zu verfeinern.

Während die C / A PRN für jeden Satelliten einzigartig sind, überträgt jeder Satellit ein anderes Segment einer P-Code - Sequenz Master etwa 2,35 · 10 14 Chips lang (235,000,000,000,000 Bits, ~ 26,716 Terabyte). Jeder Satellit sendet wiederholt sein zugewiesenes Segment des Mastercodes und startet jeden Sonntag um 00:00:00 Uhr GPS-Zeit neu. (Die GPS-Epoche war Sonntag, der 6. Januar 1980 um 00:00:00 UTC, aber GPS folgt den UTC-Schaltsekunden nicht. Die GPS-Zeit liegt also um eine ganze Zahl von Sekunden vor UTC.)

Der P-Code ist öffentlich, um zu verhindern, dass nicht autorisierte Benutzer ihn verwenden oder möglicherweise durch Spoofing stören , wird der P-Code mit W-Code , einer kryptographisch generierten Sequenz, XOR - verknüpft , um den Y-Code zu erzeugen . Der Y-Code ist das, was die Satelliten übertragen haben, seit das Anti-Spoofing-Modul in den "Ein"-Zustand versetzt wurde. Das verschlüsselte Signal wird als P(Y)-Code bezeichnet .

Die Details des W-Codes sind geheim, aber es ist bekannt, dass er auf den P-Code mit ungefähr 500 kHz angewendet wird, ungefähr 20-mal langsamer als die P-Code-Chiprate. Dies hat zu halbcodelosen Ansätzen zum Verfolgen des P(Y)-Signals geführt, ohne den W-Code zu kennen.

Navigationsnachricht

GPS-Nachrichtenformat

Teilrahmen
Wort Beschreibung
1 1-2 Telemetrie- und Übergabewörter
(TLM und HOW)
3–10 Satellitenuhr,
GPS-Zeitbeziehung
2-3 1-2 Telemetrie- und Übergabewörter
(TLM und HOW)
3–10 Ephemeride
(präzise Satellitenumlaufbahn)
4–5 1-2 Telemetrie- und Übergabewörter
(TLM und HOW)
3–10 Almanach-Komponente
(Satellitennetzübersicht,
Fehlerkorrektur)

Zusätzlich zu den PRN-Entfernungscodes muss ein Empfänger die Zeit und Position jedes aktiven Satelliten kennen. GPS codiert diese Informationen in die Navigationsnachricht und moduliert sie mit 50 Bit/s sowohl auf den C/A- als auch auf den P(Y)-Entfernungscode. Das in diesem Abschnitt beschriebene Navigationsnachrichtenformat wird als LNAV-Daten (für Legacy-Navigation ) bezeichnet.

Die Navigationsnachricht vermittelt drei Arten von Informationen:

  • Datum und Uhrzeit des GPS sowie der Status des Satelliten.
  • Die Ephemeride : genaue Orbitalinformationen für den sendenden Satelliten.
  • Der Almanach: Status- und niedrigaufgelöste Orbitalinformationen für jeden Satelliten.

Eine Ephemeride ist nur vier Stunden gültig; ein Almanach ist mit geringer Präzisionsverdünnung bis zu zwei Wochen gültig. Der Empfänger verwendet den Almanach, um eine Reihe von Satelliten basierend auf der gespeicherten Zeit und dem Standort zu erfassen. Wenn jeder Satellit erfasst wird, wird seine Ephemeride dekodiert, damit der Satellit für die Navigation verwendet werden kann.

Die Navigationsnachricht besteht aus 30-Sekunden- Rahmen mit einer Länge von 1500 Bit, die in fünf 6-Sekunden- Unterrahmen von jeweils zehn 30-Bit-Wörtern unterteilt sind. Jeder Unterrahmen hat die GPS-Zeit in 6-Sekunden-Schritten. Subframe 1 enthält das GPS-Datum (Wochennummer) und Informationen zur Korrektur der Satellitenuhr, Satellitenstatus und -zustand. Die Unterrahmen 2 und 3 enthalten zusammen die Ephemeridendaten des sendenden Satelliten. Die Subframes 4 und 5 enthalten die Seiten 1 bis 25 des 25-seitigen Almanachs. Der Almanach ist 15.000 Bit lang und die Übertragung dauert 12,5 Minuten.

Ein Frame beginnt zu Beginn der GPS-Woche und danach alle 30 Sekunden. Jede Woche beginnt mit der Übermittlung des Almanachs Seite 1.

Es gibt zwei Arten von Navigationsnachrichten: LNAV-L wird von Satelliten mit den PRN-Nummern 1 bis 32 (genannt untere PRN-Nummern ) verwendet und LNAV-U wird von Satelliten mit den PRN-Nummern 33 bis 63 (genannt obere PRN-Nummern ) verwendet. Die beiden Typen verwenden sehr ähnliche Formate. Unterrahmen 1 bis 3 sind gleich, während Unterrahmen 4 und 5 fast gleich sind. Jeder Nachrichtentyp enthält Almanachdaten für alle Satelliten, die denselben Navigationsnachrichtentyp verwenden, jedoch nicht den anderen.

Jeder Unterrahmen beginnt mit einem Telemetriewort (TLM), das es dem Empfänger ermöglicht, den Beginn eines Unterrahmens zu erkennen und die Empfängertaktzeit zu bestimmen, zu der der Navigationsunterrahmen beginnt. Als nächstes folgt das Übergabewort (HOW), das die GPS-Zeit angibt (eigentlich die Zeit, zu der das erste Bit des nächsten Unterrahmens übertragen wird) und den spezifischen Unterrahmen innerhalb eines vollständigen Rahmens identifiziert. Die verbleibenden acht Worte des Unterrahmens enthalten die tatsächlichen Daten, die für diesen Unterrahmen spezifisch sind. Jedes Wort enthält 6 Paritätsbits, die mit einem auf Hamming-Codes basierenden Algorithmus erzeugt werden, der die 24 Nicht-Paritätsbits dieses Wortes und die letzten 2 Bits des vorherigen Wortes berücksichtigt.

Nachdem ein Unterrahmen gelesen und interpretiert wurde, kann die Zeit, zu der der nächste Unterrahmen gesendet wurde, unter Verwendung der Taktkorrekturdaten und des WIE berechnet werden. Der Empfänger kennt die Empfängertaktzeit, wann der Beginn des nächsten Unterrahmens empfangen wurde, aus der Detektion des Telemetrieworts, wodurch die Berechnung der Laufzeit und damit der Pseudoentfernung ermöglicht wird.

Zeit

Die GPS-Zeit wird mit einer Auflösung von 1,5 Sekunden als Wochennummer und Wochenzeitzähler (TOW) ausgedrückt. Sein Nullpunkt (Woche 0, TOW 0) ist als 06.01.1980T00:00Z definiert. Der TOW-Zählwert ist ein Wert im Bereich von 0 bis 403.199, der die Anzahl der seit Beginn der GPS-Woche verstrichenen 1,5-Sekunden-Perioden bedeutet. Das Ausdrücken des TOW-  Zählers erfordert somit 19 Bits (2 19 = 524.288). Die GPS-Zeit ist eine kontinuierliche Zeitskala, da sie keine Schaltsekunden enthält; daher kann der Beginn/das Ende von GPS-Wochen um eine ganze Zahl von Sekunden vom entsprechenden UTC-Tag abweichen.

In jedem Unterrahmen enthält jedes Übergabewort (HOW) die 17 höchstwertigen Bits des TOW-Zählers entsprechend dem Start des nächsten folgenden Unterrahmens. Beachten Sie, dass die 2 niedrigstwertigen Bits sicher weggelassen werden können, da alle 6 Sekunden ein HOW in der Navigationsnachricht auftritt, was gleich der Auflösung der abgeschnittenen TOW-Zählung davon ist. Entsprechend ist die abgeschnittene TOW-Zählung die Zeitdauer seit dem Start/Ende der letzten GPS-Woche bis zum Beginn des nächsten Frames in Einheiten von 6 Sekunden.

Jeder Frame enthält (in Subframe 1) die 10 niedrigstwertigen Bits der entsprechenden GPS-Wochennummer. Beachten Sie, dass sich jeder Frame vollständig innerhalb einer GPS-Woche befindet, da GPS-Frames die GPS-Wochengrenzen nicht überschreiten. Da ein Rollover alle 1.024 GPS-Wochen auftritt (ungefähr alle 19,6 Jahre; 1.024 entspricht 2 10 ), muss ein Empfänger, der aktuelle Kalenderdaten berechnet, die oberen Wochennummernbits ableiten oder aus einer anderen Quelle beziehen. Eine mögliche Methode besteht darin, dass der Empfänger beim Herunterfahren sein aktuelles Datum im Speicher speichert und beim Einschalten davon ausgeht, dass die neu dekodierte abgeschnittene Wochennummer dem Zeitraum von 1024 Wochen entspricht, der mit dem zuletzt gespeicherten Datum beginnt. Diese Methode leitet die vollständige Wochennummer korrekt ab, wenn der Empfänger nie länger als 1.024 Wochen (~19,6 Jahre) ausgeschaltet bleiben darf (oder ohne Zeit- und Positionsfixierung).

Almanach

Der Almanach besteht aus groben Bahn- und Statusinformationen für jeden Satelliten in der Konstellation, einem Ionosphärenmodell und Informationen, um die vom GPS abgeleitete Zeit mit der koordinierten Weltzeit (UTC) in Beziehung zu setzen . Jeder Frame enthält einen Teil des Almanachs (in den Subframes 4 und 5) und der komplette Almanach wird von jedem Satelliten in insgesamt 25 Frames übertragen (erfordert 12,5 Minuten). Der Almanach dient mehreren Zwecken. Die erste besteht darin, die Erfassung von Satelliten beim Einschalten zu unterstützen, indem es dem Empfänger ermöglicht wird, eine Liste sichtbarer Satelliten basierend auf der gespeicherten Position und Zeit zu erstellen, während eine Ephemeride von jedem Satelliten benötigt wird, um Positionsfixes unter Verwendung dieses Satelliten zu berechnen. Bei älterer Hardware würde das Fehlen eines Almanachs in einem neuen Empfänger lange Verzögerungen verursachen, bevor eine gültige Position bereitgestellt wird, da die Suche nach jedem Satelliten ein langsamer Prozess war. Fortschritte in der Hardware haben den Erwerbsprozess viel schneller gemacht, sodass kein Almanach mehr kein Problem mehr ist. Der zweite Zweck besteht darin, die vom GPS abgeleitete Zeit (genannt GPS-Zeit) mit dem internationalen Zeitstandard UTC in Beziehung zu setzen . Schließlich ermöglicht der Almanach einem Einzelfrequenzempfänger, den ionosphärischen Verzögerungsfehler unter Verwendung eines globalen ionosphärischen Modells zu korrigieren . Die Korrekturen sind nicht so genau wie bei GNSS-Erweiterungssystemen wie WAAS oder Zweifrequenzempfängern. Es ist jedoch oft besser als keine Korrektur, da der Ionosphärenfehler die größte Fehlerquelle für einen Einfrequenz-GPS-Empfänger ist.

Aufbau Hilfsrahmen 4 und 5

LNAV-L-Rahmen 4 und 5

Teilrahmen
Buchseite Beschreibung
4 1, 6, 11–12,
16, 19–24
Reserviert
2–5, 7–10 Almanachdaten für SV 25–32
13
Korrekturtabelle für Navigationsnachrichten (NMCT)
14–15 Reserviert für die Systemnutzung
17 Besondere Nachrichten
18 Ionosphärische Korrekturdaten
und UTC
25 AS-Flags für SV 1–32,
Gesundheitsinfo. für SV 25–32
5 1–24 Almanachdaten für SV 1–24
25 Gesundheitsinfo. für SV 1–24
Almanach-Referenzzeit
LNAV-U-Rahmen 4 und 5

Teilrahmen
Buchseite Beschreibung
4 1, 6, 10–12,
16, 19–24
Reserviert
2–5, 7–9 Almanachdaten für SV 89–95
13
Korrekturtabelle für Navigationsnachrichten (NMCT)
14–15 Reserviert für die Systemnutzung
17 Besondere Nachrichten
18 Ionosphärische Korrekturdaten
und UTC
25 AS-Flags für PRN-Nummern 33–63,
Gesundheitsinformationen. für SV 89–95
5 1–24 Almanachdaten für SV 65–88
25 Gesundheitsinfo. für SV 65–88
Almanach-Referenzzeit

Datenaktualisierungen

Satellitendaten werden normalerweise alle 24 Stunden aktualisiert, wobei die Daten bis zu 60 Tage lang geladen werden, falls die Fähigkeit zur regelmäßigen Aktualisierung unterbrochen wird. Normalerweise enthalten die Updates neue Ephemeriden, wobei neue Almanache seltener hochgeladen werden. Das Kontrollsegment garantiert, dass im Normalbetrieb mindestens alle 6 Tage ein neuer Almanach hochgeladen wird.

Satelliten senden alle zwei Stunden eine neue Ephemeride. Die Ephemeride ist im Allgemeinen 4 Stunden lang gültig, wobei Updates alle 4 Stunden oder länger unter nicht-nominellen Bedingungen vorgesehen sind. Die Zeit, die zum Erfassen der Ephemeriden benötigt wird, wird zu einem bedeutenden Element der Verzögerung bis zur ersten Positionsbestimmung, da mit zunehmender Leistungsfähigkeit der Empfängerhardware die Zeit zum Einrasten auf die Satellitensignale kürzer wird; Aufgrund der geringen Datenübertragungsrate benötigen die Ephemeridendaten jedoch 18 bis 36 Sekunden, bevor sie empfangen werden.

Frequenzinformationen

Damit die Entfernungscodes und die Navigationsnachricht vom Satelliten zum Empfänger gelangen, müssen sie auf eine Trägerwelle moduliert werden . Im Fall des ursprünglichen GPS-Designs werden zwei Frequenzen verwendet; einer bei 1575,42  MHz (10,23 MHz × 154), genannt L1; und eine zweite bei 1227,60 MHz (10,23 MHz × 120), genannt L2.

Der C/A-Code wird auf der L1-Frequenz als 1,023 MHz-Signal unter Verwendung einer Bi-Phase-Shift-Keying-( BPSK )-Modulationstechnik übertragen. Der P(Y)-Code wird sowohl auf den L1- als auch auf den L2-Frequenzen als 10,23-MHz-Signal unter Verwendung der gleichen BPSK-Modulation übertragen, jedoch ist der P(Y)-Code-Träger in Quadratur mit dem C/A-Träger (d. h., er ist 90 ° phasenverschoben ).

Neben Redundanz und erhöhter Störfestigkeit ist ein entscheidender Vorteil der Übertragung von zwei Frequenzen von einem Satelliten die Möglichkeit, den ionosphärischen Verzögerungsfehler für diesen Satelliten direkt zu messen und daher zu beseitigen . Ohne eine solche Messung muss ein GPS-Empfänger ein generisches Modell verwenden oder ionosphärische Korrekturen von einer anderen Quelle (wie dem Wide Area Augmentation System oder WAAS ) empfangen . Fortschritte in der Technologie, die sowohl bei den GPS-Satelliten als auch bei den GPS-Empfängern verwendet wird, haben die ionosphärische Verzögerung zur größten verbleibenden Fehlerquelle im Signal gemacht. Ein Empfänger, der diese Messung durchführen kann, kann wesentlich genauer sein und wird typischerweise als Zweifrequenzempfänger bezeichnet .

Modernisierung und zusätzliche GPS-Signale

Nachdem das GPS-System am 17. Juli 1995 seine volle Betriebsfähigkeit erreicht hatte, hatte es seine ursprünglichen Konstruktionsziele erreicht. Zusätzliche technologische Fortschritte und neue Anforderungen an das bestehende System führten jedoch zu dem Bestreben, das GPS-System zu "modernisieren". Ankündigungen des Vizepräsidenten und des Weißen Hauses im Jahr 1998 kündigten den Beginn dieser Veränderungen an und im Jahr 2000 bekräftigte der US-Kongress die Bemühungen, die als GPS III bezeichnet werden .

Das Projekt umfasst neue Bodenstationen und neue Satelliten mit zusätzlichen Navigationssignalen für zivile und militärische Nutzer und zielt darauf ab, die Genauigkeit und Verfügbarkeit für alle Nutzer zu verbessern. Ein Ziel für 2013 wurde mit Anreizen für die Auftragnehmer festgelegt, wenn sie es bis 2011 erreichen können.

Allgemeine Merkmale

Ein visuelles Beispiel für die GPS-Konstellation in Bewegung mit der sich drehenden Erde. Beachten Sie, wie sich die Anzahl der Satelliten in Sichtweite von einem bestimmten Punkt auf der Erdoberfläche, in diesem Beispiel bei 45°N, mit der Zeit ändert.

Modernisierte zivile GPS-Signale weisen gegenüber ihren älteren Gegenstücken zwei allgemeine Verbesserungen auf: eine datenlose Erfassungshilfe und eine Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC)-Codierung der NAV-Nachricht.

Eine datenlose Erfassungshilfe ist ein zusätzliches Signal, in manchen Fällen Pilotträger genannt, das neben dem Datensignal ausgestrahlt wird. Dieses datenlose Signal ist einfacher zu erfassen als die codierten Daten und kann bei erfolgreicher Erfassung verwendet werden, um das Datensignal zu erfassen. Diese Technik verbessert die Erfassung des GPS-Signals und erhöht die Leistungspegel am Korrelator.

Der zweite Fortschritt besteht darin, die Kodierung der Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) auf der NAV-Nachricht selbst zu verwenden. Aufgrund der relativ langsamen Übertragungsrate von NAV-Daten (normalerweise 50 Bit pro Sekunde) können kleine Unterbrechungen potenziell große Auswirkungen haben. Daher ist die FEC in der NAV-Nachricht eine signifikante Verbesserung der Gesamtsignalrobustheit.

L2C

Eine der ersten Ankündigungen war die Hinzufügung eines neuen zivilen Signals, das auf einer anderen Frequenz als der für das Grob-/Erfassungssignal (C/A) verwendeten L1-Frequenz übertragen werden sollte. Letztendlich wurde daraus das L2C-Signal, das so genannt wird, weil es auf der L2-Frequenz ausgestrahlt wird. Da es neue Hardware an Bord des Satelliten erfordert, wird es nur von den sogenannten Block IIR-M und späteren Design-Satelliten übertragen. Das L2C-Signal hat die Aufgabe, die Genauigkeit der Navigation zu verbessern, ein leicht zu verfolgendes Signal bereitzustellen und im Falle lokalisierter Störungen als redundantes Signal zu fungieren. L2C-Signale wurden ab April 2014 auf Satelliten ausgestrahlt, die sie senden können, gelten jedoch noch als prä-operational. Ab Januar 2021 wird L2C auf 23 Satelliten ausgestrahlt und bis 2023 auf 24 Satelliten erwartet.

Anders als der C/A-Code enthält L2C zwei unterschiedliche PRN-Codesequenzen, um Ranging-Informationen bereitzustellen; der zivil-moderate Code (genannt CM) und der zivil-lange Code (genannt CL). Der CM-Code ist 10.230 Bit lang und wiederholt sich alle 20 ms. Der CL-Code ist 767.250 Bit lang und wiederholt sich alle 1.500 ms. Jedes Signal wird mit 511.500 Bits pro Sekunde ( Bit/s ) übertragen; sie werden jedoch zusammen gemultiplext , um ein 1.023.000-Bit/s-Signal zu bilden.

CM wird moduliert mit der CNAV Navigationsnachricht (siehe unten), während CL keine modulierten Daten enthält , und ist eine sogenannte Dataless Sequenz . Die lange, datenlose Sequenz bietet eine etwa 24 dB größere Korrelation (~250 mal stärker) als der L1-C/A-Code.

Im Vergleich zum C/A-Signal hat L2C 2,7 dB mehr Datenwiederherstellung und 0,7 dB mehr Carrier-Tracking, obwohl seine Sendeleistung 2,3 dB schwächer ist.

Der aktuelle Status des L2C-Signals zum 9. Juni 2021 ist:

  • Pre-Operational-Signal mit Meldungssatz „gesund“
  • Ausstrahlung von 23 GPS-Satelliten (Stand 9. Januar 2021)
  • Beginn der Markteinführung im Jahr 2005 mit GPS Block IIR-M
  • Verfügbar auf 24 GPS-Satelliten mit Bodensegmentsteuerung bis 2023 (Stand Januar 2020)

CM- und CL-Codes

Die zivil-moderaten und zivil-weitreichenden Codes werden von einem modularen LFSR erzeugt, das periodisch auf einen vorbestimmten Anfangszustand zurückgesetzt wird. Die Periode von CM und CL wird durch diese Rücksetzung bestimmt und nicht durch die natürliche Periode des LFSR (wie beim C/A-Code). Die Anfangszustände werden in der Schnittstellenspezifikation bezeichnet und sind für verschiedene PRN-Nummern und für CM/CL unterschiedlich. Das Rückkopplungspolynom/die Maske ist für CM und CL gleich. Die Ranging-Codes sind somit gegeben durch:

CM i ( t ) = A ( X i , t mod 10 230)
CL i ( t ) = A ( Y i , t mod 767 250)

wo:

CM i und CL i sind die Ranging-Codes für die PRN-Nummer i und ihre Argumente sind die ganze Zahl der Chips, die seit Beginn/Ende der GPS-Woche (beginnend bei 0) verstrichen sind, oder entsprechend seit dem Ursprung der GPS-Zeitskala (siehe § Zeit ).
A ( x , t ) ist die Ausgabe des LFSR, wenn es mit dem Anfangszustand x initialisiert wird, nachdem es t- mal getaktet wurde.
X i und Y i sind die Anfangszustände für CM bzw. CL. für PRN-Nummer .
mod ist der Rest der Divisionsoperation.
t ist die ganze Zahl von CM- und CL-Chipperioden seit dem Ursprung der GPS-Zeit oder äquivalent seit jeder GPS-Sekunde (beginnend mit 0).

Die Anfangszustände werden in der GPS-Schnittstellenspezifikation als oktale Zahlen beschrieben, gemäß der Konvention, dass der LFSR-Zustand als binäre Darstellung einer Zahl interpretiert wird, bei der das Ausgangsbit das niedrigstwertige Bit ist und das Bit, bei dem neue Bits nach innen verschoben werden ist das signifikanteste Bit. Unter Verwendung dieser Konvention verschiebt sich das LFSR vom höchstwertigen Bit zum niederwertigsten Bit, und wenn es in Big-Endian-Reihenfolge betrachtet wird, verschiebt es sich nach rechts. Die Zustände, die im IS als Endzustand bezeichnet werden, erhält man nach10 229 Zyklen für CM und danach767 249 Zyklen für LM (in beiden Fällen kurz vor dem Zurücksetzen).

Die Feedback-Bitmaske lautet 100100101001001010100111100 2 . Wiederum mit der Konvention, dass das niedrigstwertige Bit das Ausgangsbit des LFSR und das höchstwertige Bit das Einschubbit des LFSR ist, bedeutet 0 keine Rückkopplung in diese Position und 1 bedeutet Rückkopplung in diese Position.

CNAV-Navigationsnachricht

Nachrichtenstruktur
(gemeinsame Felder)
Bits Information
1–8 Präambel
9–14 PRN des sendenden Satelliten
15–20 Nachrichtentyp-ID
21–37 Abgeschnittene TOW-Anzahl
38 Warnflagge
277–300 Zyklische Redundanzprüfung
Nachrichtentypen
Typ-ID Beschreibung
10–11 Ephemeriden und Gesundheit
12, 31, 37 Almanach-Parameter
13–14, 34 Differenzielle Korrektur
15, 36 Textnachrichten
30 Ionosphären- und Gruppenlaufzeitkorrektur
32 Parameter der Erdausrichtung
33 UTC-Parameter
35 GPS/GNSS-Zeitversatz

Die CNAV-Daten sind eine aktualisierte Version der ursprünglichen NAV-Navigationsnachricht. Es enthält eine Darstellung mit höherer Präzision und nominell genauere Daten als die NAV-Daten. Dieselbe Art von Informationen (Zeit, Status, Ephemeride und Almanach) wird weiterhin mit dem neuen CNAV-Format übertragen; jedoch verwendet es anstelle einer Rahmen-/Unterrahmen-Architektur ein neues pseudo-paketiertes Format, das aus 12-Sekunden-300-Bit- Nachrichten analog zu LNAV-Rahmen besteht. Während LNAV-Rahmen einen festen Informationsinhalt haben, können CNAV-Nachrichten von einem von mehreren definierten Typen sein. Die Art eines Frames bestimmt seinen Informationsgehalt. Nachrichten folgen keinem festen Zeitplan bezüglich der zu verwendenden Nachrichtentypen, was dem Kontrollsegment eine gewisse Vielseitigkeit ermöglicht. Für einige Nachrichtentypen gibt es jedoch Untergrenzen dafür, wie oft sie übertragen werden.

Bei CNAV handelt es sich bei mindestens 1 von 4 Paketen um Ephemeridendaten und dieselbe untere Grenze gilt für Taktdatenpakete. Das Design ermöglicht die Übertragung einer Vielzahl von Pakettypen. Bei einer 32-Satelliten-Konstellation und den aktuellen Anforderungen an das, was gesendet werden soll, werden weniger als 75 % der Bandbreite genutzt. Nur ein kleiner Bruchteil der verfügbaren Pakettypen wurde definiert; Dadurch kann das System wachsen und Fortschritte integrieren, ohne die Kompatibilität zu beeinträchtigen.

Es gibt viele wichtige Änderungen in der neuen CNAV-Nachricht:

  • Es verwendet eine Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC), die durch einen Faltungscode der Rate 1/2 bereitgestellt wird , so dass, während die Navigationsnachricht 25-Bit/s ist, ein 50-Bit/s-Signal übertragen wird.
  • Nachrichten tragen einen 24-Bit- CRC , gegen den die Integrität geprüft werden kann.
  • Die GPS-Wochennummer wird jetzt als 13 Bit oder 8192 Wochen dargestellt und wird nur alle 157,0 Jahre wiederholt, was bedeutet, dass die nächste Rückkehr zu Null erst im Jahr 2137 erfolgt. Dies ist länger im Vergleich zur Verwendung einer 10 .-Nachricht in der L1 NAV -bit Wochennummer, die alle 19,6 Jahre auf Null zurückkehrt.
  • Es gibt ein Paket, das einen GPS-zu-GNSS-Zeitversatz enthält. Dies ermöglicht eine bessere Interoperabilität mit anderen globalen Zeitübertragungssystemen wie Galileo und GLONASS , die beide unterstützt werden.
  • Die zusätzliche Bandbreite ermöglicht das Einschließen eines Pakets zur Differenzkorrektur, das in ähnlicher Weise wie satellitengestützte Erweiterungssysteme verwendet werden kann und das verwendet werden kann, um die L1-NAV-Taktdaten zu korrigieren.
  • Jedes Paket enthält ein Warnflag, das gesetzt werden muss, wenn den Satellitendaten nicht vertraut werden kann. Dies bedeutet, dass Benutzer innerhalb von 12 Sekunden wissen, wenn ein Satellit nicht mehr verwendbar ist. Eine solche schnelle Benachrichtigung ist wichtig für Lebenssicherheitsanwendungen, wie beispielsweise die Luftfahrt.
  • Schließlich ist das System so ausgelegt, dass es 63 Satelliten unterstützt, verglichen mit 32 in der L1-NAV-Nachricht.

CNAV-Nachrichten beginnen und enden am Anfang/Ende der GPS-Woche plus einem ganzzahligen Vielfachen von 12 Sekunden. Insbesondere stimmt der Anfang des ersten Bits (mit bereits angewendeter Faltungscodierung), das Informationen über eine Nachricht enthält, mit der oben genannten Synchronisation überein. CNAV-Nachrichten beginnen mit einer 8-Bit-Präambel, die ein festes Bitmuster ist und deren Zweck es ist, dem Empfänger zu ermöglichen, den Anfang einer Nachricht zu erkennen.

Fehlerkorrekturcode weiterleiten

Der Faltungscode zu codieren CNAV verwendet wird beschrieben durch:

wo:

und sind die ungeordneten Ausgaben des Faltungscodierers
sind die rohen (nicht FEC-codierten) Navigationsdaten, die aus der einfachen Verkettung der 300-Bit-Nachrichten bestehen.
ist die ganze Zahl von nicht FEC-codierten Navigationsdatenbits, die seit einem willkürlichen Zeitpunkt (beginnend bei 0) verstrichen sind.
sind die FEC-kodierten Navigationsdaten.
ist die ganze Zahl von FEC-codierten Navigationsdatenbits, die seit derselben Epoche verstrichen sind (ebenfalls beginnend bei 0).

Da der FEC-codierte Bitstrom mit der 2-fachen Rate läuft als das nicht FEC-codierte Bit, wie bereits beschrieben, dann . Die FEC-Codierung wird unabhängig von den Grenzen der Navigationsnachrichten durchgeführt; dies folgt aus den obigen Gleichungen.

Informationen zur L2C-Frequenz

Eine unmittelbare Auswirkung der Übertragung von zwei zivilen Frequenzen besteht darin, dass die zivilen Empfänger jetzt den Ionosphärenfehler auf die gleiche Weise wie Dualfrequenz-P(Y)-Code-Empfänger direkt messen können. Benutzer, die nur das L2C-Signal verwenden, können jedoch aufgrund des ionosphärischen Fehlers 65 % mehr Positionsunsicherheit erwarten als mit dem L1-Signal allein.

Militär (M-Code)

Ein wesentlicher Bestandteil des Modernisierungsprozesses ist ein neues militärisches Signal. Als Militärcode oder M-Code bezeichnet, wurde er entwickelt, um die Entstörung und den sicheren Zugriff auf die militärischen GPS-Signale weiter zu verbessern.

Über diesen neuen, eingeschränkten Code wurde nur sehr wenig veröffentlicht. Es enthält einen PRN-Code unbekannter Länge, der bei 5,115 MHz übertragen wird. Im Gegensatz zum P(Y)-Code ist der M-Code autonom, was bedeutet, dass ein Benutzer seine Position nur mit dem M-Code-Signal berechnen kann. Nach dem ursprünglichen Design des P(Y)-Codes mussten Benutzer zuerst auf den C/A-Code sperren und dann das Schloss auf den P(Y)-Code übertragen. Später wurden Direkterfassungstechniken entwickelt, die es einigen Benutzern ermöglichten, autonom mit dem P(Y)-Code zu arbeiten.

MNAV-Navigationsnachricht

Etwas mehr ist über die neue Navigationsnachricht bekannt, die sich MNAV nennt . Ähnlich wie das neue CNAV ist dieses neue MNAV paketiert statt gerahmt, was sehr flexible Datennutzlasten ermöglicht. Ebenso wie CNAV kann es Forward Error Correction (FEC) und erweiterte Fehlererkennung (wie CRC ) verwenden.

Informationen zur M-Code-Frequenz

Der M-Code wird in den gleichen L1- und L2-Frequenzen übertragen, die bereits vom vorherigen Militärcode, dem P(Y)-Code, verwendet wurden. Das neue Signal ist so geformt, dass es den größten Teil seiner Energie an den Kanten platziert (weg von den bestehenden P(Y)- und C/A-Trägern).

In einer großen Abweichung von früheren GPS-Designs soll der M-Code zusätzlich zu einer Vollerdantenne von einer Richtantenne mit hoher Verstärkung gesendet werden. Das Signal dieser Richtantenne, Spotbeam genannt, soll auf eine bestimmte Region (mehrere hundert Kilometer Durchmesser) ausgerichtet werden und die lokale Signalstärke um 20 dB oder etwa 100-mal stärker erhöhen. Ein Nebeneffekt von zwei Antennen besteht darin, dass der GPS-Satellit als zwei GPS-Satelliten erscheint, die dieselbe Position wie diejenigen innerhalb des Punktstrahls einnehmen. Während das gesamte Erd-M-Code-Signal auf den Block IIR-M-Satelliten verfügbar ist, werden die Spot-Beam-Antennen erst nach dem Einsatz der Block III-Satelliten eingesetzt, der im Dezember 2018 begann.

Ein interessanter Nebeneffekt, dass jeder Satellit vier separate Signale überträgt, besteht darin, dass das MNAV möglicherweise vier verschiedene Datenkanäle übertragen kann, was eine erhöhte Datenbandbreite bietet.

Das Modulationsverfahren ist ein binärer Offset-Träger unter Verwendung eines 10,23-MHz-Unterträgers gegenüber dem 5,115-MHz-Code. Dieses Signal hat eine Gesamtbandbreite von ungefähr 24 MHz mit deutlich getrennten Seitenbandkeulen. Die Seitenbänder können verwendet werden, um den Signalempfang zu verbessern.

L5

Das L5-Signal bietet ein sicheres und robustes Navigationsmittel für lebenswichtige Anwendungen, wie z. B. die präzise Anflugführung von Flugzeugen. Das Signal wird in einem von der ITU für Flugnavigationsdienste geschützten Frequenzband ausgestrahlt . Es wurde zuerst vom Satelliten USA-203 (Block IIR-M) demonstriert und ist auf allen Satelliten von GPS IIF und GPS III verfügbar . L5-Signale wurden ab April 2014 auf Satelliten ausgestrahlt, die dies unterstützen. Ab Januar 2021 senden 16 GPS-Satelliten L5-Signale, und die Signale gelten als prä-operational und sollen bis etwa 2027 24 Satelliten erreichen.

Das L5-Band bietet zusätzliche Robustheit in Form von Interferenzminderung, da das Band international geschützt ist, Redundanz mit bestehenden Bändern, geostationäre Satellitenerweiterung und bodengestützte Erweiterung. Die zusätzliche Robustheit dieses Bandes kommt auch terrestrischen Anwendungen zugute.

Zwei PRN-Entfernungscodes werden auf L5 in Quadratur übertragen: der In-Phase-Code (genannt I5-Code ) und der Quadratur-Phase- Code (genannt Q5-Code ). Beide Codes sind 10.230 Bit lang, werden mit 10,23 MHz (1 ms Wiederholungsperiode) übertragen und werden identisch generiert (unterscheiden sich nur in den Anfangszuständen). Dann wird I5 (durch Exklusiv-Oder) mit Navigationsdaten (genannt L5 CNAV) und einem 10-Bit- Neuman-Hofman-Code, der mit 1 kHz getaktet ist, moduliert . In ähnlicher Weise wird dann der Q5-Code moduliert, jedoch nur mit einem 20-Bit-Neuman-Hofman-Code, der ebenfalls mit 1 kHz getaktet wird.

Im Vergleich zu L1 C/A und L2 sind dies einige der Änderungen in L5:

  • Verbesserte Signalstruktur für verbesserte Leistung
  • Höhere Sendeleistung als L1/L2-Signal (~3 dB oder 2x so leistungsstark)
  • Eine größere Bandbreite bietet einen 10-fachen Verarbeitungsgewinn , eine schärfere Autokorrelation (absolut, nicht relativ zur Chipzeitdauer) und erfordert eine höhere Abtastrate am Empfänger.
  • Längere Spreizcodes (10× länger als C/A)
  • Verwendet das Band der aeronautischen Radionavigationsdienste

Der aktuelle Status des L5-Signals vom 9. Juni 2021 ist:

  • Pre-Operational-Signal mit Meldungssatz „ungesund“ bis ausreichende Überwachungsfähigkeit hergestellt ist
  • Ausstrahlung von 16 GPS-Satelliten (Stand 9. Januar 2021)
  • Startet 2010 mit GPS Block IIF
  • Verfügbar auf 24 GPS-Satelliten ~2027 (Stand Januar 2020)

I5- und Q5-Codes

Der I5-Code und der Q5-Code werden mit der gleichen Struktur aber mit unterschiedlichen Parametern generiert. Diese Codes sind die Kombination (durch Exklusiv-Oder) der Ausgabe von 2 unterschiedlichen Schieberegistern mit linearer Rückkopplung (LFSRs), die selektiv zurückgesetzt werden.

5 i ( t ) = U ( t ) ⊕ V i ( t )
U ( t ) = XA (( t mod 10 230) mod 8 190)
V i ( t ) = XB i ( X i , t mod 10 230)

wo:

i ein geordnetes Paar ( P , n ) ist, wobei P {I, Q} für In-Phase und Quadratur-Phase ist und n eine PRN-Zahl ist; beide Phasen und eine einzelne PRN sind für das L5-Signal von einem einzelnen Satelliten erforderlich.
5 i sind die Entfernungscodes für i ; auch als I5 n und Q5 n bezeichnet .
U und V i sind Zwischencodes, wobei U nicht von Phase oder PRN abhängt.
Der Ausgang von zwei 13-stufigen LFSRs mit Taktzustand t' wird verwendet:
XA ( x , t' ) hat ein Rückkopplungspolynom x 13 + x 12 + x 10 + x 9 + 1 und einen Anfangszustand 1111111111111 2 .
XB i ( x , t' ) hat ein Rückkopplungspolynom x 13 + x 12 + x 8 + x 7 + x 6 + x 4 + x 3 + x + 1 und einen Anfangszustand X i .
X i ist der Anfangszustand, der für die Phase und die PRN-Nummer spezifiziert ist, die durch i (im IS bezeichnet) gegeben sind.
t ist die ganze Zahl von Chipperioden seit dem Ursprung der GPS-Zeit oder entsprechend seit jeder GPS-Sekunde (beginnend mit 0).

A und B sind LFSRs maximaler Länge. Die Modulo-Operationen entsprechen Resets. Beachten Sie, dass beide jede Millisekunde zurückgesetzt werden (synchronisiert mit C/A-Code- Epochen). Außerdem ist die zusätzliche Modulo-Operation in der Beschreibung von A darauf zurückzuführen, dass sie 1 Zyklus vor ihrer natürlichen Periode (die 8,191) zurückgesetzt wird, so dass die nächste Wiederholung in Bezug auf B um 1 Zyklus versetzt wird (ansonsten, da beide Sequenzen würden sich wiederholen, I5 und Q5 würden sich auch innerhalb einer beliebigen 1-ms-Periode wiederholen, was die Korrelationseigenschaften verschlechtert).

L5-Navigationsnachricht

Die L5-CNAV-Daten umfassen SV-Ephemeriden, Systemzeit, SV-Taktverhaltensdaten, Statusnachrichten und Zeitinformationen usw. Die 50-Bit/s-Daten werden in einem Rate 1/2-Faltungscodierer codiert. Der resultierende Symbolstrom von 100 Symbolen pro Sekunde (sps) wird nur dem I5-Code modulo-2 hinzugefügt; der resultierende Bitzug wird verwendet, um den L5-In-Phase-(I5)-Träger zu modulieren. Dieses kombinierte Signal wird als L5-Datensignal bezeichnet. Der L5-Quadraturphasen-(Q5)-Träger hat keine Daten und wird als L5-Pilotsignal bezeichnet. Das für L5 CNAV verwendete Format ist dem von L2 CNAV sehr ähnlich. Ein Unterschied besteht darin, dass es die 2-fache Datenrate verwendet. Die Bitfelder innerhalb jeder Nachricht, Nachrichtentypen und Vorwärtsfehlerkorrekturcodealgorithmus sind die gleichen wie bei L2 CNAV . L5 CNAV-Nachrichten beginnen und enden am Anfang/Ende der GPS-Woche plus einem ganzzahligen Vielfachen von 6 Sekunden (dies gilt für den Anfang des ersten Bits, das Informationen über eine Nachricht enthält, wie es bei L2 CNAV der Fall ist).

L5-Frequenzinformationen

Ausstrahlung auf der L5-Frequenz (1176,45 MHz, 10,23 MHz × 115), einem Luftfahrtnavigationsband . Die Frequenz wurde so gewählt, dass die Luftfahrtgemeinschaft Störungen von L5 effektiver handhaben kann als L2.

L1C

L1C ist ein zivil genutztes Signal, das auf der L1-Frequenz (1575,42 MHz) ausgestrahlt wird und das C/A-Signal enthält, das von allen aktuellen GPS-Benutzern verwendet wird. Die L1C-Signale werden von GPS III und späteren Satelliten ausgestrahlt, von denen der erste im Dezember 2018 gestartet wurde. Im Januar 2021 werden L1C-Signale noch nicht gesendet, und nur vier betriebsfähige Satelliten können sie senden. L1C wird Ende der 2020er Jahre auf 24 GPS-Satelliten erwartet.

L1C besteht aus einer Pilotkomponente (genannt L1C P ) und einer Datenkomponente (genannt L1C D ). Diese Komponenten verwenden Träger mit der gleichen Phase (innerhalb eines Fehlerspielraums von 100 Milliradian ) anstelle von Trägern in Quadratur wie bei L5. Die PRN-Codes sind 10.230 Bit lang und werden mit 1.023 Mbit/s übertragen. Die Pilotkomponente wird auch durch einen Overlay-Code namens L1C O moduliert (ein sekundärer Code, der eine niedrigere Rate als der Ranging-Code hat und ebenso wie der Ranging-Code vordefiniert ist). Von der gesamten L1C-Signalleistung werden 25 % den Daten und 75 % dem Piloten zugeordnet. Die verwendete Modulationstechnik ist BOC (1,1) für das Datensignal und TMBOC für den Piloten. Der zeitgemultiplexte binäre Offsetträger (TMBOC) ist BOC(1,1) für alle außer 4 von 33 Zyklen, wenn er auf BOC(6,1) umschaltet.

  • Die Implementierung wird C/A-Code bereitstellen, um die Abwärtskompatibilität sicherzustellen
  • Gewährleistet eine Erhöhung der minimalen C/A-Code-Leistung um 1,5 dB, um eine Erhöhung des Grundrauschens zu mindern
  • Der datenlose Signalkomponenten-Pilotträger verbessert das Tracking im Vergleich zu L1 C/A
  • Ermöglicht eine bessere zivile Interoperabilität mit Galileo L1

Der aktuelle Status des L1C-Signals zum 10. Juni 2021 ist:

  • Entwicklungssignal mit Meldungssatz "ungesund" und keine Navigationsdaten
  • Ausstrahlung von 4 GPS-Satelliten (Stand 9. Januar 2021)
  • Startet 2018 mit GPS III
  • Verfügbar auf 24 GPS-Satelliten Ende der 2020er Jahre

L1C-Entfernungscode

Die L1C-Pilot- und Datenbereichscodes basieren auf einer Legendre-Sequenz mit der Länge10 223 verwendet, um einen Zwischencode (einen Weil-Code genannt ) aufzubauen, der mit einer festen 7-Bit-Sequenz auf die erforderlichen 10.230 Bit erweitert wird. Diese 10.230-Bit-Sequenz ist der Ranging-Code und variiert zwischen PRN-Nummern und zwischen den Pilot- und Datenkomponenten. Die Ranging-Codes werden beschrieben durch:

wo:

ist der Ranging-Code für PRN-Nummer und Komponente .
steht für einen Zeitraum von ; es wird nur eingeführt, um eine klarere Notation zu ermöglichen. Um eine direkte Formel für Start von der rechten Seite der Formel für zu erhalten und alle Instanzen von durch zu ersetzen .
ist die ganze Zahl von L1C-Chipperioden (die 11,023  µs ist) seit dem Ursprung der GPS-Zeit oder entsprechend seit jeder GPS-Sekunde (beginnend mit 0).
ist ein geordnetes Paar , das eine PRN-Nummer und einen Code (L1C P oder L1C D ) identifiziert und hat die Form oder wo ist die PRN-Nummer des Satelliten und sind Symbole (keine Variablen), die den L1C P- Code oder L1C D- Code angeben , bzw.
ist ein Zwischencode: eine Legendre-Sequenz, deren Domäne die Menge der ganzen Zahlen ist, für die .
ist ein Zwischencode namens Weil-Code mit der gleichen Domain wie .
ist eine 7 Bit lange Sequenz, die für 0-basierte Indizes 0 bis 6 definiert ist.
ist der 0-basierte Einfügungsindex der Sequenz in den Ranging-Code (spezifisch für PRN-Nummer und Code ). Er ist in der Interface Specification (IS) als 1-basierter Index definiert , also .
ist der Weil-Index für PRN-Nummer und -Code , der im IS bezeichnet wird.
ist der Rest der Divisions- (oder Modulo-) Operation, die sich von der Notation in Aussagen der modularen Kongruenz unterscheidet , die auch in diesem Artikel verwendet wird.

Gemäß der obigen Formel und dem GPS IS sind die ersten Bits (äquivalent bis zum Einfügepunkt von ) von und die ersten Bits des entsprechenden Weil-Codes; die nächsten 7 Bits sind ; die restlichen Bits sind die restlichen Bits des Weil-Codes.

Das behauptet der IS . Aus Gründen der Übersichtlichkeit berücksichtigt die Formel für nicht den hypothetischen Fall, in dem , was dazu führen würde, dass die Instanz von eingefügt in vom Index umbrochen wird10 229 auf 0.

L1C-Overlay-Code

Die Overlay-Codes sind 1800 Bit lang und werden mit 100 Bit/s übertragen, synchronisiert mit der in L1C D codierten Navigationsnachricht .

Für die PRN-Nummern 1 bis 63 sind sie die abgeschnittenen Ausgaben von LFSRs mit maximaler Periode, die in den Anfangsbedingungen und Rückkopplungspolynomen variieren.

Für die PRN-Nummern 64 bis 210 sind sie verkürzte Gold-Codes, die durch Kombinieren von 2 LFSR-Ausgängen ( und , wobei die PRN-Nummer ist) erzeugt werden, deren Anfangszustand variiert. hat eines der 4 insgesamt verwendeten Rückkopplungspolynome (unter den PRN-Nummern 64–210). hat das gleiche Rückkopplungspolynom für alle PRN-Zahlen im Bereich 64–210.

CNAV-2-Navigationsnachricht

Hilfsrahmen
Hilfsrahmen Bitanzahl Beschreibung
Roh Codiert
1 9 52 Intervallzeit (TOI)
2 576 1.200 Zeitkorrektur und
Ephemeridendaten
3 250 548 Variable Daten
Hilfsrahmen 3 Seiten
Seite Nummer. Beschreibung
1 UTC & IONO
2 GGTO & EOP
3 Reduzierter Almanach
4 Midi-Almanach
5 Differenzielle Korrektur
6 Text

Die L1C-Navigationsdaten (genannt CNAV-2) werden in 1.800 Bit langen (einschließlich FEC) Frames ausgestrahlt und mit 100 Bit/s übertragen.

Die Frames von L1C sind analog zu den Nachrichten von L2C und L5. Während L2-CNAV und L5-CNAV einen dedizierten Nachrichtentyp für Ephemeridendaten verwenden, enthalten alle CNAV-2-Rahmen diese Informationen.

Der gemeinsame Aufbau aller Nachrichten besteht aus 3 Frames, wie in der nebenstehenden Tabelle aufgeführt. Der Inhalt des Unterrahmens 3 variiert entsprechend seiner Seitennummer, die analog der Typnummer von L2-CNAV- und L5-CNAV-Nachrichten ist. Seiten werden in beliebiger Reihenfolge gesendet.

Die Zeit der Nachrichten (nicht zu verwechseln mit Taktkorrekturparametern) wird in einem anderen Format als das Format der vorherigen zivilen Signale ausgedrückt . Stattdessen besteht es aus 3 Komponenten:

  1. Die Wochennummer , mit der gleichen Bedeutung wie bei den anderen zivilen Signalen. Jede Nachricht enthält die Wochennummer modulo 8.192 oder äquivalent, die 13 niederwertigsten Bits der Wochennummer, was die direkte Angabe eines beliebigen Datums innerhalb eines zyklischen 157-Jahres-Bereichs ermöglicht.
  2. Eine Intervallzeit der Woche (ITOW): die ganze Zahl der 2-Stunden-Perioden, die seit dem letzten Start/Ende der Woche verstrichen sind. Es hat einen Bereich von 0 bis 83 (einschließlich) und erfordert 7 Bits zum Codieren.
  3. Eine Intervallzeit (TOI): die ganze Zahl von 18-Sekunden-Perioden, die seit der durch das aktuelle ITOW repräsentierten Periode bis zum Beginn der nächsten Nachricht verstrichen sind . Es hat einen Bereich von 0 bis 399 (einschließlich) und erfordert 9 Datenbits.

TOI ist der einzige Inhalt von Subframe 1. Die Wochennummer und ITOW sind zusammen mit anderen Informationen in Subframe 2 enthalten.

Unterrahmen 1 wird durch einen modifizierten BCH-Code codiert . Insbesondere werden die 8 niedrigstwertigen Bits BCH-codiert, um 51 Bits zu erzeugen, dann unter Verwendung von Exklusiv- oder mit dem höchstwertigen Bit kombiniert und schließlich wird das höchstwertige Bit als das höchstwertige Bit des vorherigen Ergebnisses angehängt, um die letzten 52 Bits zu erhalten. Subframes 2 und 3 werden einzeln mit einem 24-Bit erweiterten CRC , dann einzeln codiert unter Verwendung eines Low-Density-Parity-Check- Code , und dann verschachtelt als eine Einheit unter Verwendung eines Block - Interleaver.

Übersicht Frequenzen

GPS-Frequenzen
Band Frequenz
(MHz)
Phase Ursprüngliche Verwendung Modernisierte Nutzung
L1 1575,42
(10,23 × 154)
 ich Verschlüsselter Präzisions-P(Y)-Code
Q Grob-/Erwerbscode (C/A) C/A, L1 Zivil (L1C) und
Militär (M) Code
L2 1227,60
(10,23 × 120)
 ich Verschlüsselter Präzisions-P(Y)-Code
Q unmodulierter Träger L2 Zivilcode (L2C) und
Militärcode (M)
L3 1381,05
(10,23 × 135)
verwendet von Nuclear Detonation
(NUDET) Detection System
Payload (NDS):
signalisiert nukleare Detonationen/
hochenergetische Infrarotereignisse.
Wird verwendet, um Atomtestverbotsverträge durchzusetzen
.
L4 1379.9133...
(10.23 × 1214/9)
N / A wird auf zusätzliche
Ionosphärenkorrektur untersucht
L5 1176,45
(10,23 × 115)
 ich N / A Safety-of-Life (SoL) Datensignal
Q Safety-of-Life (SoL) Pilotsignal

Alle Satelliten senden auf den gleichen zwei Frequenzen, 1,57542 GHz (L1-Signal) und 1,2276 GHz (L2-Signal). Das Satellitennetzwerk verwendet eine CDMA-Spreizspektrumtechnik, bei der die Nachrichtendaten mit niedriger Bitrate mit einer hochratigen Pseudozufallsrausch- (PRN)-Sequenz codiert werden, die für jeden Satelliten unterschiedlich ist. Der Empfänger muss die PRN-Codes für jeden Satelliten kennen, um die tatsächlichen Nachrichtendaten zu rekonstruieren. Der C/A-Code für den zivilen Gebrauch überträgt Daten mit 1,023 Millionen Chips pro Sekunde, während der P-Code für den US-Militärgebrauch mit 10,23 Millionen Chips pro Sekunde überträgt. Der L1-Träger wird sowohl durch den C/A- als auch den P-Code moduliert, während der L2-Träger nur durch den P-Code moduliert wird. Der P-Code kann als sogenannter P(Y)-Code verschlüsselt werden, der nur militärischen Geräten mit einem geeigneten Entschlüsselungsschlüssel zur Verfügung steht. Sowohl der C/A- als auch der P(Y)-Code teilen dem Benutzer die genaue Tageszeit mit.

Jedes zusammengesetzte Signal (In-Phase und Quadratur-Phase) wird zu:

wo und Signalleistungen darstellen; und Codes mit/ohne Daten darstellen . Dies ist eine Formel für den Idealfall (der in der Praxis nicht erreicht wird), da sie keine Zeitfehler, Rauschen, Amplitudenfehlanpassung zwischen Komponenten oder Quadraturfehler (wenn Komponenten nicht genau in Quadratur sind) modelliert.

Demodulation und Dekodierung

Demodulieren und Decodieren von GPS-Satellitensignalen mit dem Coarse/Acquisition Gold-Code .

Ein GPS-Empfänger verarbeitet die an seiner Antenne empfangenen GPS-Signale, um Position, Geschwindigkeit und/oder Timing zu bestimmen. Das Signal an der Antenne wird verstärkt, auf die Basisband- oder Zwischenfrequenz herunterkonvertiert, gefiltert (um Frequenzen außerhalb des vorgesehenen Frequenzbereichs für das digitale Signal zu entfernen, das in dieses aliasing würde) und digitalisiert; diese Schritte können in einer anderen Reihenfolge verkettet werden. Beachten Sie, dass Aliasing manchmal beabsichtigt ist (insbesondere wenn eine Unterabtastung verwendet wird), aber dennoch eine Filterung erforderlich ist, um Frequenzen zu verwerfen, die nicht in der digitalen Darstellung vorhanden sein sollen.

Für jeden Satelliten von dem Empfänger verwendet wird , muss der Empfänger zuerst erfaßt das Signal und dann verfolgen , es so lange wie die Satelliten in Gebrauch sind; beide werden in den bei weitem den meisten (wenn nicht allen) Empfängern im digitalen Bereich durchgeführt.

Das Erfassen eines Signals ist der Prozess der Bestimmung der Frequenz und der Codephase (beide relativ zur Empfängerzeit), wenn diese zuvor unbekannt waren. Die Codephase muss mit einer Genauigkeit bestimmt werden, die vom Empfängerdesign (insbesondere der Tracking-Schleife) abhängt; Die 0,5-fache Dauer von Codechips (ca. 0,489 µs) ist ein repräsentativer Wert.

Tracking ist der Prozess der kontinuierlichen Anpassung der geschätzten Frequenz und Phase, um dem empfangenen Signal so gut wie möglich zu entsprechen, und ist daher eine Phasenregelschleife . Beachten Sie, dass die Erfassung durchgeführt wird, um mit der Verwendung eines bestimmten Satelliten zu beginnen, die Verfolgung jedoch so lange durchgeführt wird, wie dieser Satellit verwendet wird.

In diesem Abschnitt wird ein mögliches Verfahren für die L1-C/A-Erfassung und -Verfolgung beschrieben, aber das Verfahren ist für die anderen Signale sehr ähnlich. Das beschriebene Verfahren basiert auf der Berechnung der Korrelation des empfangenen Signals mit einer lokal erzeugten Kopie des Entfernungsmesscodes und dem Erfassen des höchsten Peaks oder des niedrigsten Tals. Der Offset des höchsten Peaks oder niedrigsten Tals enthält Informationen über die Codephase relativ zur Empfängerzeit. Die Dauer der lokalen Kopie wird durch das Empfängerdesign festgelegt und ist typischerweise kürzer als die Dauer der Navigationsdatenbits, die 20 ms beträgt.

Erwerb

Die Erfassung einer gegebenen PRN-Zahl kann als Suche nach einem Signal in einem zweidimensionalen Suchraum konzeptioniert werden, wobei die Dimensionen (1) Codephase, (2) Frequenz sind. Außerdem weiß ein Empfänger möglicherweise nicht, nach welcher PRN-Nummer er suchen soll, und in diesem Fall wird dem Suchraum eine dritte Dimension hinzugefügt: (3) PRN-Nummer.

Frequenzraum
Der Frequenzbereich des Suchraums ist das Band, in dem sich das Signal bei Kenntnis des Empfängers befinden kann. Die Trägerfrequenz variiert aufgrund des Doppler-Effekts bei stationärem Empfänger um etwa 5 kHz; bewegt sich der Empfänger, ist die Abweichung höher. Die Codefrequenzabweichung beträgt das 1/1.540-fache der Trägerfrequenzabweichung für L1, da die Codefrequenz 1/1.540 der Trägerfrequenz beträgt (siehe § Von GPS verwendete Frequenzen ). Die Abwärtskonvertierung hat keinen Einfluss auf die Frequenzabweichung; es verschiebt nur alle Signalfrequenzkomponenten nach unten. Da die Frequenz auf die Empfängerzeit bezogen ist, trägt die Unsicherheit in der Empfängeroszillatorfrequenz zum Frequenzbereich des Suchraums bei.
Codephasenraum
Der Ranging-Code hat eine Periode von 1.023 Chips, von denen jeder ungefähr 0,977 µs dauert (siehe § Coarse/Acquisition Code ). Der Code liefert eine starke Autokorrelation nur bei Offsets von weniger als 1 in der Größenordnung. Die Ausdehnung des Suchraums in der Codephasendimension hängt von der Granularität der Offsets ab, bei denen die Korrelation berechnet wird. Es ist typisch, nach der Codephase innerhalb einer Granularität von 0,5 Chips oder feiner zu suchen; das bedeutet 2.046 Offsets. Es kann mehr Faktoren geben, die die Größe des Suchraums der Codephase erhöhen. Beispielsweise kann ein Empfänger so ausgelegt sein, dass er 2 aufeinanderfolgende Fenster des digitalisierten Signals untersucht, so dass mindestens eines von ihnen keinen Navigationsbitübergang enthält (der die Korrelationsspitze verschlechtert); dies erfordert, dass die Signalfenster maximal 10 ms lang sind.
PRN-Nummernraum
Die unteren PRN-Nummern reichen von 1 bis 32 und daher gibt es 32 PRN-Nummern, nach denen gesucht werden muss, wenn der Empfänger keine Informationen hat, um die Suche in dieser Dimension einzugrenzen. Die höheren PRN-Nummern reichen von 33 bis 66. Siehe § Navigationsnachricht .

Wenn die Almanach-Informationen zuvor erfasst wurden, wählt der Empfänger anhand ihrer PRNs aus, auf welche Satelliten er horchen soll. Wenn sich die Almanach-Informationen nicht im Speicher befinden, tritt der Empfänger in einen Suchmodus ein und durchläuft die PRN-Nummern, bis eine Verriegelung auf einem der Satelliten erhalten wird. Um eine Sperre zu erhalten, ist eine ungehinderte Sichtverbindung vom Empfänger zum Satelliten erforderlich. Der Empfänger kann dann den Almanach entschlüsseln und die Satelliten bestimmen, auf die er hören soll. Wenn es das Signal jedes Satelliten erkennt, identifiziert es es anhand seines eindeutigen C/A-Codemusters.

Einfache Korrelation

Der einfachste Weg zum Erfassen des Signals (nicht unbedingt der effektivste oder am wenigsten rechenaufwendig) besteht darin, das Skalarprodukt eines Fensters des digitalisierten Signals mit einem Satz lokal erzeugter Nachbildungen zu berechnen . Die lokal erzeugten Kopien variieren in Trägerfrequenz und Codephase, um den gesamten bereits erwähnten Suchraum abzudecken, der das kartesische Produkt des Frequenzsuchraums und des Codephasensuchraums ist. Der Träger ist eine komplexe Zahl, bei der reelle und imaginäre Komponenten beide Sinuskurven sind, wie durch die Eulersche Formel beschrieben . Die Replik, die das Punktprodukt mit der höchsten Größe erzeugt, ist wahrscheinlich diejenige, die der Codephase und Frequenz des Signals am besten entspricht; wenn diese Größe über einem Schwellenwert liegt, fährt der Empfänger daher damit fort, das Signal zu verfolgen oder die geschätzten Parameter vor der Verfolgung weiter zu verfeinern. Der Schwellenwert wird verwendet, um Fehlalarme zu minimieren (anscheinend ein Signal zu erkennen, wenn tatsächlich kein Signal vorhanden ist), aber einige können dennoch gelegentlich auftreten.

Die Verwendung eines komplexen Trägers ermöglicht es den Replikaten, das digitalisierte Signal unabhängig von der Trägerphase des Signals anzupassen und diese Phase zu erkennen (das Prinzip ist das gleiche wie bei der Fourier-Transformation ). Das Punktprodukt ist eine komplexe Zahl; seine Größe stellt den Ähnlichkeitsgrad zwischen der Replik und dem Signal dar, wie bei einer gewöhnlichen Korrelation von reellwertigen Zeitreihen. Das Argument des Skalarprodukts ist eine Annäherung an den entsprechenden Träger im digitalisierten Signal.

Nehmen wir als Beispiel an, dass die Granularität für die Suche in der Codephase 0,5 Chips und in der Frequenz 500 Hz beträgt, dann gibt es 1.023/0,5  =  2.046 Codephasen und 10.000 Hz/500 Hz  =  20 Frequenzen , um insgesamt 20 .   zu versuchen × 2.046 = 40.920 lokale Replikate . Beachten Sie, dass jedes Frequenz-Bin auf seinem Intervall zentriert ist und daher 250 Hz in jede Richtung abdeckt; zum Beispiel hat das erste Bin einen Träger bei –4,750 Hz und deckt das Intervall –5.000 Hz bis –4.500 Hz ab. Codephasen sind modulo 1.023 äquivalent, da der Bereichscode periodisch ist; beispielsweise entspricht Phase –0,5 Phase 1,022,5.

Die folgende Tabelle zeigt die lokalen Replikate, die in diesem Beispiel mit dem digitalisierten Signal verglichen würden. "•" bedeutet ein einzelnes lokales Replikat, während "..." für gelöschte lokale Replikate verwendet wird:

Trägerfrequenz
Abweichung
Codephase (in Chips)
0.0 0,5 (mehr Phasen) 1.022,0 1.022,5
−4.750 Hz ...
−4.250 Hz ...
(mehr
Frequenzen)
... ... ... ... ...
4.250 Hz ...
4.750 Hz ...

Fourier-Transformation

Als Verbesserung gegenüber dem einfachen Korrelationsverfahren ist es möglich, die Berechnung von Punktprodukten mit einer Fourier-Transformation effizienter zu implementieren . Anstatt ein Punktprodukt für jedes Element im kartesischen Produkt aus Code und Frequenz durchzuführen, wird für jede Codephase eine einzelne Operation durchgeführt, die eine FFT umfasst und alle Frequenzen abdeckt; jede dieser Operationen ist rechenaufwendiger, kann aber aufgrund der Effizienz von FFT-Algorithmen insgesamt immer noch schneller sein als das vorherige Verfahren, und sie stellt die Trägerfrequenz mit einer höheren Genauigkeit wieder her, da die Frequenz-Bins in einer DFT sehr eng beabstandet sind .

Insbesondere wird für alle Codephasen im Suchraum das digitalisierte Signalfenster Element für Element mit einer lokalen Kopie des Codes (ohne Träger) multipliziert und dann mit einer diskreten Fourier-Transformation verarbeitet .

Angenommen, das mit dieser Methode zu verarbeitende vorherige Beispiel soll reellwertige Daten annehmen (im Gegensatz zu komplexen Daten, die In-Phase- und Quadratur-Komponenten aufweisen), eine Abtastrate von 5 MHz, ein Signalfenster von 10 ms und an Zwischenfrequenz von 2,5 MHz. Das digitale Signal enthält 5 MHz × 10 ms  =  50.000 Abtastwerte und daher 25.001 Frequenzkomponenten im Bereich von 0 Hz bis 2,5 MHz in Schritten von 100 Hz (beachten Sie, dass die 0-Hz-Komponente reell ist, da sie der Durchschnitt einer reellen -bewertetes Signal und die 2,5-MHz-Komponente sind ebenfalls real, da es sich um die kritische Frequenz handelt ). Es werden nur die Komponenten (oder Bins) innerhalb von 5 kHz der Mittenfrequenz untersucht, das ist der Bereich von 2,495 MHz bis 2,505 MHz und wird von 51 Frequenzkomponenten abgedeckt . Es gibt 2.046 Codephasen , wie in dem vorherigen Fall, also insgesamt 51 × 2.046  =  104.346 komplexe Frequenzkomponenten untersucht.

Zirkuläre Korrelation mit Fourier-Transformation

Ebenso ist es als Verbesserung gegenüber dem einfachen Korrelationsverfahren möglich, eine einzelne Operation durchzuführen, die alle Codephasen für jedes Frequenz-Bin abdeckt. Die für jedes Codephasen-Bin durchgeführte Operation beinhaltet eine Vorwärts-FFT, eine elementweise Multiplikation im Frequenzbereich. inverse FFT und zusätzliche Verarbeitung, so dass insgesamt eine zirkuläre Korrelation anstelle einer zirkularen Faltung berechnet wird . Dies ergibt eine genauere Codephasenbestimmung als das einfache Korrelationsverfahren im Gegensatz zum vorherigen Verfahren, das eine genauere Trägerfrequenzbestimmung liefert als das vorherige Verfahren.

Tracking und Dekodierung von Navigationsnachrichten

Da die empfangene Trägerfrequenz aufgrund der Dopplerverschiebung variieren kann, unterscheiden sich die Punkte, an denen die empfangenen PRN-Sequenzen beginnen, möglicherweise nicht um eine genaue ganze Zahl von Millisekunden von 0. Aus diesem Grund wird die Trägerfrequenzverfolgung zusammen mit der PRN-Codeverfolgung verwendet, um zu bestimmen, wann der PRN-Code des empfangenen Satelliten beginnt. Anders als bei der früheren Offset-Berechnung, bei der möglicherweise Versuche aller 1.023 Offsets erforderlich sein könnten, erfordert die Verfolgung zum Beibehalten der Verriegelung normalerweise eine Verschiebung um eine halbe Impulsbreite oder weniger. Um diese Verfolgung durchzuführen, beobachtet der Empfänger zwei Größen, den Phasenfehler und den empfangenen Frequenzversatz. Die Korrelation des empfangenen PRN-Codes in Bezug auf den vom Empfänger erzeugten PRN-Code wird berechnet, um zu bestimmen, ob die Bits der zwei Signale falsch ausgerichtet sind. Vergleiche des empfangenen PRN-Codes mit dem vom Empfänger erzeugten PRN-Code, der um eine halbe Pulsbreite zu früh und um eine halbe Pulsbreite zu spät verschoben ist, werden verwendet, um die erforderliche Anpassung abzuschätzen. Der für eine maximale Korrelation erforderliche Anpassungsbetrag wird beim Schätzen des Phasenfehlers verwendet. Der empfangene Frequenzversatz von der vom Empfänger erzeugten Frequenz liefert eine Schätzung des Phasenratenfehlers. Der Befehl für den Frequenzgenerator und eine eventuell weitere erforderliche PRN-Codeverschiebung werden in Abhängigkeit von dem Phasenfehler und dem Phasenratenfehler gemäß dem verwendeten Regelgesetz berechnet. Die Dopplergeschwindigkeit wird als Funktion des Frequenzversatzes von der Trägernennfrequenz berechnet. Die Dopplergeschwindigkeit ist die Geschwindigkeitskomponente entlang der Sichtlinie des Empfängers relativ zum Satelliten.

Wenn der Empfänger fortfährt, aufeinanderfolgende PRN-Sequenzen zu lesen, wird er auf eine plötzliche Änderung der Phase des empfangenen 1023-Bit-PRN-Signals stoßen. Dies zeigt den Beginn eines Datenbits der Navigationsnachricht an. Dadurch kann der Empfänger mit dem Lesen der 20-Millisekunden-Bits der Navigationsnachricht beginnen. Das TLM-Wort am Anfang jedes Unterrahmens eines Navigationsrahmens ermöglicht es dem Empfänger, den Beginn eines Unterrahmens zu erkennen und die Empfängertaktzeit zu bestimmen, zu der der Navigationsunterrahmen beginnt. Das HOW-Wort ermöglicht dann dem Empfänger zu bestimmen, welcher spezifische Unterrahmen übertragen wird. Es kann eine Verzögerung von bis zu 30 Sekunden vor der ersten Schätzung der Position geben, da die Ephemeridendaten gelesen werden müssen, bevor die Schnittpunkte der Kugeloberflächen berechnet werden.

Nachdem ein Unterrahmen gelesen und interpretiert wurde, kann die Zeit, zu der der nächste Unterrahmen gesendet wurde, unter Verwendung der Taktkorrekturdaten und des WIE berechnet werden. Der Empfänger kennt die Empfängertaktzeit, wann der Beginn des nächsten Unterrahmens empfangen wurde, aus der Detektion des Telemetrieworts, wodurch die Berechnung der Laufzeit und damit der Pseudoentfernung ermöglicht wird. Der Empfänger ist potentiell in der Lage, am Anfang jedes Unterrahmens oder alle 6 Sekunden eine neue Pseudoentfernungsmessung zu erhalten.

Dann werden die Bahnpositionsdaten oder Ephemeriden aus der Navigationsnachricht verwendet, um genau zu berechnen, wo sich der Satellit zu Beginn der Nachricht befand. Ein empfindlicherer Empfänger erfasst möglicherweise die Ephemeridendaten schneller als ein weniger empfindlicher Empfänger, insbesondere in einer lauten Umgebung.

Siehe auch

Quellen und Referenzen

Literaturverzeichnis

GPS-Schnittstellenspezifikation

  • "GPS-Schnittstellenspezifikation (GPS-IS-200K)" (PDF) . 4. März 2019. (beschreibt L1, L2C und P).
  • "GPS-Schnittstellenspezifikation (GPS-IS-705F)" (PDF) . 4. März 2019. (beschreibt L5).
  • "GPS-Schnittstellenspezifikation (GPS-IS-800E)" (PDF) . 4. März 2019. (beschreibt L1C).

Anmerkungen