Assisted-GPS
Satelliten, wo seid ihr?
Fortsetzung des Artikels von Teil 3
Anwendung der A-GPS-Daten
Bahndaten
Für eine Positionsbestimmung müssen die Bahndaten (Ephemeriden) der Satelliten bekannt sein. Die von der Navigationsnachricht übermittelten Ephemeriden sind nur vier Stunden gültig und brauchen zur Übertragung 30 s. Die Orbitdaten welche bei Offline-AGPS übertragen und gespeichert werden, sind mehrere Tage gültig. Bei Online- A-GPS haben die Daten die gleiche Gültigkeitsdauer wie bei GPS. Wenn die Ephemeridendaten bekannt sind, können die Satelliten viel schneller gefunden werden.
Daten bezüglich Dopplerfrequenz
Der Suchbereich wird eingeschränkt, wenn Dopplerfrequenz und Frequenz- Offset des GPS-Empfängers bekannt sind (Bild 7). Dadurch wird die Signal- Akquisition beschleunigt, was eine markante Zeitersparnis mit sich bringt.
Das Korrelationsmaximum muss nur noch in Funktion der Code-Verschiebung gesucht werden. Wird eine Frequenzauflösung von 200 Hz verlangt, kann sich eine Gesamtsuchzeit pro Satellit um den Faktor 46 (2 × 23) reduzieren, verglichen mit dem Suchvorgang ohne Kenntnis der Dopplerfrequenz.
Navigationsdaten
Die Empfindlichkeit eines GPS-Moduls kann durch Erhöhung der Korrelationszeit (Integrationszeit oder Dwell-Time) verbessert werden. Je länger ein Korrelator in einer bestimmten Position der Code-Frequenz- Ebene verweilt, um so niedriger das notwendige GPS-Signal an der Antenne. Wird die Integrationszeit um die Zeit Tms (Zeit in Millisekunden) erhöht, ergibt sich eine Vergrößerung des Systemgewinns um Gc [4]:
Gc (dB) = 10 × log10 (Tms)
Eine Verdoppelung der Integrationszeit von 1 auf 2 ms ergibt eine Erhöhung des Signal-Rausch-Abstandes bzw. der Empfindlichkeit um 3 dB. In der Praxis ist eine Verlängerung der Korrelationszeit auf 20 ms unproblematisch. Da die Datenbits in der Navigationsnachricht alle 20 ms wechseln können, muss bei einer Integrationszeit über 20 ms der Wert der übertragenen Datenbits bekannt sein. Bei AGPS ist dies der Fall. Um eine hohe Akquisitions-Empfindlichkeit durch lange Integrationszeit zu gewährleisten und trotzdem rasch (innerhalb einer Sekunde) eine gültige Positionsbestimmung zu erhalten, wird die Anzahl der implementierten Korrelatoren massiv erhöht.
Die Akquisitions-Empfindlichkeit von modernen GPS-Empfängern beträgt ca. –160 dBm. Da der GPS-Betreiber (DoD, USA) eine Signalstärke im Freien von –130 dBm garantiert, können GPS-Empfänger noch in Bauten funktionieren, die das Signal um 30 dB abschwächen.
Referenznetzwerk zur schnelleren Positionsbestimmung
Zur Vorausberechnung der Satellitenbahnen, wie für die Bereitstellung von Echtzeit-A-GPS-Daten (Aiding-Daten), ist ein umfangreiches, weltweites Netz von Monitorstationen notwendig, welches die Bewegung der Satelliten permanent und sehr genau erfasst. Diese Daten werden herangezogen, um in einem leistungsfähigen Location Server Vorhersagen über die Satellitenbewegungen der nächsten Tage vorzunehmen. Ein solches Netzwerk hat z.B. das IGS aufgebaut. Der International GNSS-Service (IGS, auch International GPS-Service [5]) betreibt ein erdumspannendes GNSS-Permanentnetz.
Der Einfluss von A-GPS wurde in einem Projekt untersucht [6]. Bild 8 zeigt den Einfluss von A-GPS auf die Kaltstartzeit (TTFF) unter freiem Himmel und in einem Gebiet mit erschwerten Empfangsbedingungen (enge Schlucht in den Bündner Bergen).Dank A-GPS wird eine erste Positionsmessung schneller möglich. Auch Positionsfehler stabilisieren sich unter erschwerten Empfangsbedingungen mit A-GPS viel schneller als ohne Hilfsdaten (Bild 9).
Literatur
[1] Eisfeller, B.; et al.: A Methodology for the Estimation of the Time-to-First-Fix. Inside GGNN, March/April 2010, S. 55.
[2] Carver, C.: High Sensitivity versus Assisted Techniques. GPS-World, September 2005. [3] u-blox 5/6 Receiver Description (Module), www.u-blox.com
[4] Van Diggelen, F.: A-GPS. Artech House Verlag. S. 153.
[5] International GSS Service: http://igscb.jpl.nasa.gov/
[6] Costa, L.; Crameri, G.: Untersuchung d. Performance von A-GPS. Bachelorarbeit, HTW Chur 2009.
| Prof. Dipl.-Ing. (FH) Jean-Marie Zogg |
| ist Professor für Elektronik, Mobile Computing und Elektrotechnik an der Fachhochschule HTW Chur (Hochschule für Technik und Wirtschaft Chur, Schweiz), an der er sich vertieft mit den Gebieten der Satelliten-Kommunikation auseinandergesetzt hat. Zu diesen Themen hat er in namhaften Fachzeitschriften publiziert, außerdem verfasste er ein Fachbuch zum Thema „Telemetrie mit GSM/SMS und GPS-Einführung“. |
jean-marie.zogg@htwchur.ch
- Satelliten, wo seid ihr?
- Langwierige Signalauswertung
- Unterstützung mit Hilfsdaten
- Anwendung der A-GPS-Daten
