Assisted-GPS Satelliten, wo seid ihr?

Das Globale Positionierungssystem GPS hat so seine Tücken: Oft vergehen Minuten, bis nach dem Einschalten eine gültige Position angezeigt wird, und bei schlechten Empfangsbedingungen, z.B. in einem geschlossenen Raum, ist vielfach eine Messung unmöglich. Mit Unterstützung von externen Daten werden Ortung und Navigation beschleunigt oder unter erschwerten Empfangsbedingungen erst ermöglicht. Das Verfahren wird Assisted-GPS (A-GPS oder AGPS) genannt und setzt sich vor allem bei Handys mit eingebautem GPS-Receiver immer mehr durch.

Unmittelbar nach dem Einschalten des GPS-Empfängers und in geschlossenen Räumen soll die richtige Position anzeigt werden: Dies fordern anspruchsvolle Anwender. Beim Einsatz eines Navigationsgeräts erwartet der Autofahrer, dass beim Anlassen des Fahrzeugs oder beim Verlassen des Tunnels die Position auf Metergenauigkeit augenblicklich erfasst wird. Innerhalb von Gebäuden, z.B. in einem Einkaufszentrum, sollte der Empfänger die exakten Koordinaten anzeigen. In der Regel ist bei kombiniertem Einsatz von GPS und Handy der GPS-Empfangsteil aus Stromspargründen meistens ausgeschaltet, denn GPS-Receiver sind Stromfresser. Wird dann die Ortungsfunktion benötigt, z.B. beim Absetzen eines Notrufs auf der Nummer 112, ist eine Latenzzeit von einigen Minuten unzumutbar, nach einigen Sekunden müssen Länge und Breite bekannt sein.

Um die limitierenden Faktoren bzgl. Messbereitschaft und Empfindlichkeit zu verstehen, ist ein Blick auf die Funktionsweise eines GPS-Empfängers nötig. Alle 31 GPS-Satelliten (Stand September 2010) senden ihre Informationen auf der gleichen Frequenz L1 von 1575,42 MHz. Um trotzdem die Signale empfangen und decodieren zu können, wird das Zugriffsverfahren CDMA (Code Division Multiple Access) eingesetzt. Jedes Satellitensignal ist mit einem quasizufälligen Code (Pseudorandom Noise, PRN-Code) verschlüsselt. Der Schlüssel ist für die zivilen Signale bekannt und besteht aus einer sich wiederholenden Folge von 1023 Bits mit einer Zeitdauer von einer Millisekunde.

Jeder Satellit sendet Informationen, die so genannte Navigationsnachricht, zur Erde. Diese Nachrichten enthalten Daten über den Verlauf der Satellitenbahnen, die Zeit etc. und werden mit einer Datenrate von 50 bit/s ausgesendet. Somit wird ein Dateninformationsbit von 20 ms 20 Mal mit dem PRN-Code verschlüsselt (Bild 1 und Bild 2).

Langwierige Signalauswertung

Der GPS-Empfänger empfängt die CDMA-Signale von einem oder mehreren Satelliten. Für jedes einzelne Signal wird eine Korrelation stattfinden. Da der Empfänger zur Zeit des Empfangs die Nummer und somit den PRN-Code des sendenden Satelliten noch nicht kennt, generiert er bis zu 32 verschiedene PRN-Codes.

Diese Codes werden jeweils um ein halbes Bit zeitlich verschoben, bis ein PRN-Code im Korrelationsmaximum zeitlich und formmäßig mit dem Satellitensignal übereinstimmt (Bild 3: Korrelationsmaximum mit der Zeitverschiebung t2 erreicht). Um das Korrelationsmaximum zu finden, werden pro Millisekunde 1023 × 2 = 2046 Suchfunktionen ausgeführt.

Erst wenn das Korrelationsmaximum gefunden ist, können die Informationsdaten decodiert werden. Der Suchvorgang wird durch die Bewegung der Satelliten noch erschwert: Die Satelliten sind in Bewegung, und deswegen verschiebt sich die Empfangsfrequenz aufgrund des Dopplereffektes um ±4630 Hz × cos(Elevationswinkel). Steht der Satellit im Zenit (Elevation = 90°) beträgt die Frequenzverschiebung Null.