Satellitennavigation
Die Modernisierung des zivilen GPS
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Schritte zur Modernisierung des GPS
Wegen der je nach Ionenkonzentration veränderten Ausbreitungsgeschwindigkeit entstehen die genannten und durch die Ionosphäre verursachten Messfehler. Durch die Verwendung von zwei verschiedenen Signalfrequenzen lässt sich der Einfluss der Ionosphäre aber weitgehend kompensieren. Der Einfluss der Ionosphäre auf die Laufzeit ist bei höherer Frequenz geringer als bei tiefer, zudem verhält sich die Beeinflussung der Laufzeit quadratisch zur Frequenz. Verringert sich nun die Laufzeit, dann wird eine kürzere als die tatsächliche Strecke zwischen Satellit und Empfänger angenommen. Der Messfehler der Entfernung R in Abhängigkeit von Signalfrequenz und Ionisationsstärke ist in Bild 4 dargestellt.
Da jedes Satellitensignal sich durch eine andere Ionisationsschicht ausbreitet, ist der R-Messfehler bei jedem Satelliten unterschiedlich. Es ist sinnvoll, diesen Fehler individuell zu kompensieren.
Sendet der Satellit Navigationsinformationen auf zwei Frequenzen (f1 und f2), so kann der R-Messfehler ΔR für die R-Messung mit der Frequenz f1 nach folgender Formel [9] bestimmt werden:
R1 und R2 sind die mit f1 und f2 gemessenen (fehlerhaften) Entfernungen. Der errechnete Messfehler ΔR kann zur Korrektur der Entfernungsmessungen R1 und R2 verwendet werden.
Die Modernisierung von GPS
Wie bereits erwähnt, ist die Erneuerung der GPS-Komponenten in vollem Gange bzw. geplant. Die neuen Satelliten senden bereits neue Signale auf zusätzlichen Frequenzen, und weitere Signale werden dazukommen. Die Kontrollinfrastruktur von GPS, das so genannte Kontrollsegment, wird ebenfalls erneuert bzw. erweitert.
Erneuerung und Erweiterung des Kontrollsegments
Bis zum Jahre 2000 bestand das Kontrollsegment (Operational Control System OCS) aus einem Hauptquartier (Master Control Station, MCS), lokalisiert im US-Staat Colorado, aus fünf mit Atomuhren ausgerüsteten Monitorstationen (MS), weltweit verteilt in der Nähe des Äquators, und drei Bodenkontrollstationen (Ground Control Station, GCS) zur Übermittlung der Informationen zu den Satelliten.
Die wichtigsten Aufgaben des Kontrollsegments sind die Beobachtung der Satellitenbewegungen und Berechnung der Bahndaten (Ephemeriden), die Überwachung der Satellitenuhren und Vorhersage ihres Verhaltens, die Zeitsynchronisation der Satelliten, das Übermitteln der genauen Bahndaten des im Funkkontakt stehenden Satelliten, die Übermittlung der ungenauen Bahndaten aller Satelliten (Almanach), die Übermittlung weiterer Informationen sowie des technischen Zustandes aller Satelliten (Status, Uhrenfehler usw.).
Das Kontrollsegment wurde und wird noch massiv erweitert [10] um eine alternative Master Control Station in Kalifornien (AMCS, als Backup und für Ausbildungszwecke), um elf weitere Monitorstationen, die es nun ermöglichen, dass jeder GPS-Satellit von mindestens zwei Monitorstationen der insgesamt 16 Stationen überwacht wird, sowie um zwei Bodenkontrollstationen. (Die US Air Force betreibt noch weitere Bodenkontrollstationen, die Air Force Satellite Control Network Remote Tracking Stations, AFSCN-RTS, für militärische Zwecke. Auf diese Stationen wird nicht weiter eingegangen.) Schließlich soll noch ein Monitor Station Network Control Center (MSNCC) hinzukommen, das die Aufgabe hat, die Monitordaten zu sammeln und auszuwerten. Diese Stationen sind großräumig über den gesamten Globus verteilt angeordnet.
Zusätzliche Signale und Frequenzen
Seit 2005 strahlen die neu in Erdumlauf gebrachten Satelliten das zweite zivile Signal L2C auf der Frequenz von 1227,60 MHz aus.
Am 24. März 2009 wurde der erste Satellit GPS IIR-20(M) mit dem zusätzlichen Signal L5 erfolgreich gestartet. In Zukunft soll noch ein weiteres ziviles Signal, interoperabel zum europäischen Satellitennavigationssystem Galileo, ausgestrahlt werden.
Dieses Signal soll L1C genannt werden. Nach Ausbau des Systems werden die zivilen Signale gemäß Tabelle 2 zur Verfügung stehen.
Die Prinzipien der BPSK-Modulation (Binary Phase Shift Keying Modulation) und der BOC-Modulation (Binary Offset Carrier Modulation) wurden in einer früheren Publikation [11] eingehend besprochen.
| Signal | Mittenfrequenz | Modulation | Bandbreite |
|---|---|---|---|
| L1-C/A | 1575,42 MHz |
BPSK(1) | 2,046 MHz |
| L2C | 1227,60 MHz |
BPSK(1) | 2,046 MHz |
| L5 | 1176,45 MHz | BPSK(10) | 20,46 MHz |
| L1C | 1575,42 MHz | MBOC(6,1,1/11) | 4,092 MHz |
Tabelle 2. Technische Daten der zivilen GPS-Signale
Die MBOC-Modulation für das Signal L1C
Die USA und die EU haben am 26. Juli 2007 vereinbart, für GPS und Galileo die gleiche Modulationsart zu verwenden. Die neue Modulation, genannt MBOC (6,1,1/11), wird für das neue GPS-Signal L1C (L1 Civil) und für das Galileo-Signal L1 OS eingesetzt.
Die MBOC-Modulation (Multiplexed BOC) ist eine Erweiterung der BOC-Modulation, sie kombiniert zwei BOC-Modulatoren und addiert beide Signale mit unterschiedlicher Gewichtung (Bild 5).
Durch die Kombination von zwei BOC-Signalen steht bei höheren Frequenzen mehr Leistung zur Verfügung (Bild 6). Dadurch wird die Tracking-Eigenschaft verbessert, und die Empfänger werden unempfindlicher gegenüber Rauschen, Interferenzen und Mehrwegeempfang. Um alle Eigenschaften voll auszunutzen, muss die Bandbreite des Empfängers ca. 20 MHz betragen (bei BPSK(1) ca. 2 MHz).
Die neuen Satellitengenerationen
Die GPS-IIF-Satelliten
Nach Abschuss des letzten GPS-IIRM wird eine neue Serie mit verbesserten Eigenschaften [12] ins All gebracht: der Block GPS IIF (Block 2, Follow-ON). Diese Satelliten werden von Boeing gebaut. Es ist geplant, von 2009 bis 2014 zwölf IIF in Umlauf zu bringen. IIF-Satelliten senden ein neues, drittes ziviles Signal auf der Frequenz von 1176,45 MHz (L5-Frequenz). Dieses Signal soll ca. eine viermal höhere Leistung als die vorherigen zivilen Signale L1-C/A und L2C haben; es kann für kritische Anflüge in der Luftfahrt verwendet werden. Dank dieser dritten Frequenz wird der Einfluss der Ionosphäre noch weiter vermindert.
GPS III
Ab 2014 ist der Start einer neuen Satellitengeneration geplant. Diese neue Reihe, gebaut von Lockheed Martin [13] wird die Bezeichnung GPS III (Block 3) haben. GPS III wird dank verbesserter Komponenten die Genauigkeit der Ortung- und Zeitmessung weiter erhöhen. Mit dieser Generation wird das Signal L1C, interoperabel mit dem Open Service Signal von Galileo, eingeführt.
Der erste Block von zwei Satelliten dieser neuen Generation, benannt GPS IIIA (Bild 7), wird zur Zeit in den Werken von Lockheed Martin getestet. Die US-Regierung hat sich eine Bestelloption von zehn zusätzlichen Satelliten des Typs GPS IIIA gesichert. Im Anschluss an die zwölf GPS-IIIA-Satelliten sollen acht GPS IIIB und 16 GPS IIIC gebaut und in Umlauf gebracht werden.
Wenn GPS III vollständig in Betrieb sein wird (2020?), werden die Satelliten untereinander Daten austauschen (intersatellare Verbindungen, ähnlich wie bei den Kommunikationssatelliten Iridium). Dank dieser Verlinkung können alle Satelliten von einer Bodenstation gewartet werden.
Weiter soll die Signalstruktur des zivilen L1-C/A-Signals verbessert werden. GPS-III-Satelliten werden Integritätssignale aussenden, eine Search- and Rescue-Möglichkeit bieten und keine eingebaute technische Möglichkeit für die Erzeugung der künstlichen Verschlechterung (Selective Availability, SA) mehr haben. Dies soll das Vertrauen bezüglich der Verfügbarkeit des US-Systems endgültig steigern.
- Die Modernisierung des zivilen GPS
- Schritte zur Modernisierung des GPS
- Literatur und Autor
Das könnte Sie auch interessieren
