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 Betreff des Beitrags: Re: [RL] Satellitennavigation
BeitragVerfasst: 22.07.2010, 08:55 
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Gaidin der VA

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Danke, Zyran, gute Frage. Wie schon gesagt, wird die Signalverschlechterung mit Selective Availability (SA) bezeichnet. Darunter versteht man das Hinzufügen von künstlichem Rauschen zu den normalen Signalen. Vor der Abschaltung dieser genauigkeitsverfälschenden Maßnahme am 2. Mai 2000 sollte damit verhindert werden, dass gelenkte Waffensysteme, die außerhalb des US-Militärs zum Einsatz kommen sollten, zur Zielführung mit einem frei erhältlichen GPS-Empfänger ausgestattet werden. Vor dem Stichtag lag die Genauigkeit der zivilen GPS-Geräte bei etwa 100 Metern oder schlechter, danach 10 bis 15 Meter. Heutzutage kommt die Selective Availability nur noch in Krisenregionen zum Einsatz.

Deine Frage bringt mich aber auch gleich zum nächsten Punkt, der Signalstruktur. Das GPS-Datensignal mit einer Datenrate von 50 bit/s und einer Rahmenperiode von 30 s wird parallel mittels Spread Spectrum Verfahren auf zwei Frequenzen ausgesendet, der L1- und der L2-Frequenz.

Auf der L1-Frequenz (1575,42 MHz) werden der C/A-Code („Coarse/Acquisition“) für die zivile Nutzung, und orthogonal dazu der nicht öffentlich bekannte P/Y-Code („Precision/encrypted“) für die militärische Nutzung eingesetzt. Das übertragene Datensignal ist bei beiden Codefolgen identisch und stellt die 1500 Bit lange Navigationsnachricht dar. Sie enthält alle wichtigen Informationen zum Satelliten, Datum, Identifikationsnummer, Korrekturen, Bahnen, aber auch den Zustand der Satelliten, und benötigt zur Übertragung eine halbe Minute. GPS-Empfänger speichern diese Daten normalerweise zwischen. Zur Initialisierung der Geräte werden des Weiteren auch die so genannten Almanach-Daten übertragen, die die groben Bahndaten aller Satelliten enthalten und zur Übertragung über zwölf Minuten benötigen.

Die zweite Frequenz, die L2-Frequenz (1227,60 MHz), überträgt nur den P/Y-Code. Wahlweise kann auf der zweiten Frequenz auch der C/A-Code übertragen werden. Durch die Übertragung auf zwei Frequenzen können ionosphärische Effekte, die zur Erhöhung der Laufzeit führen, herausgerechnet werden, was die Genauigkeit steigert.

Momentan ist eine dritte L5-Frequenz (1176,45 MHz) im Aufbau. Sie soll die Robustheit des Empfangs weiter verbessern und ist vor allem für die Luftfahrt (z.B. für automatische Landungen) und für Safety-of-Life-Anwendungen vorgesehen. Bei der derzeitigen Geschwindigkeit des Ausbaus ist mit einer Fertigstellung ab 2010 und einem Regelbetrieb ab 2013 zu rechnen.

Im Einzelnen:

Der für die Modulation des Datensignals im zivilen Bereich eingesetzte C/A-Code ist eine so genannte pseudozufällige Codefolge mit einer Länge von 1023 Bits. Die Sendebits einer Codefolge werden als so genannte „Chips“ bezeichnet und tragen keine Nutzdateninformation, sondern dienen nur zum Empfang mittels Kreuzkorrelation. Diese 1023 Chips lange Folge hat eine Periodenlänge von 1 ms und die Chips-Rate beträgt 1,023 Mcps.

Die endgültige C/A-Codefolge wird durch eine Codephasenverschiebung zwischen den beiden Generatoren erreicht. Die Phasenverschiebung wird bei jedem GPS-Satelliten unterschiedlich gewählt, so dass die dabei entstehenden Sendefolgen (Chips-Signalfolgen) orthogonal zueinander stehen – damit ist ein unabhängiger Empfang der einzelnen Satellitensignale möglich, obwohl alle GPS-Satelliten auf den gleichen Nominalfrequenzen L1 und L2 senden.

Im Gegensatz zu den pseudozufälligen Rauschfolgen aus linear rückgekoppelten Schieberegistern (LFSR) haben die zwar ebenfalls pseudozufälligen Rauschfolgen aus C/A-Codegeneratoren wesentlich bessere Eigenschaften der Kreuzkorrelation, wenn man die zugrundeliegenden Generatorpolynome entsprechend auswählt. Dies bedeutet, dass durch die Codephasenverschiebung eingestellten unterschiedlichen Gold-Folgen mit gleichen Generatorpolynomen zueinander fast orthogonal im Coderaum stehen und sich damit kaum gegenseitig beeinflussen. Die beim C/A-Code eingesetzten LFSR-Generatorpolynome G1 und G2 erlauben maximal 1023 Codephasenverschiebungen, wovon ungefähr 25 % zueinander eine in der GPS-Anwendung hinreichend kleine Kreuzkorrelation für den CDMA-Empfang aufweisen. Damit können neben den maximal 32 GPS-Satelliten und deren Navigationssignale weitere rund 200 Satelliten zusätzlich Daten auf der gleichen Sendefrequenz zu den GPS-Empfängern übertragen – dieser Umstand wird beispielsweise im Rahmen von EGNOS zur Übermittlung von atmosphärischen Korrekturdaten, Wetterdaten und Daten für die zivile Luftfahrt ausgenutzt.

Da die Datenrate der damit übertragenen Nutzdaten 50 bit/s beträgt und ein Nutzdatenbit genau 20 ms lang ist, wird ein einzelnes Nutzdatenbit immer durch exakt 20-malige Wiederholung einer Gold-Folge übertragen.

Der zuschaltbare künstliche Fehler Selective Availability, der seit dem Jahr 2000 nicht mehr eingesetzt wird, wurde bei dem C/A-Code dadurch erreicht, dass die zeitliche Ausrichtung (Taktsignal) der Chips einer geringen zeitlichen Schwankung (Jitter) unterworfen wurde. Die regionale Störung von GPS-Signalen (Krisengebiete) wird durch das US-Militär durch Jammer erreicht und macht damit GPS nicht in jedem Fall zu einem verlässlichen Orientierungsmittel, da nicht verlässlich feststellbar ist, ob und wie weit GPS-Signale von den tatsächlichen UTM/MGRS-Koordinaten abweichen.


Der längere und meist militärisch verwendete P-Code verwendet als Codegenerator so genannte JPL-Folgen. Er unterteilt sich in den öffentlich dokumentierten P-Code und den zur Verschlüsselung auf der Funkschnittstelle eingesetzten und geheimen Y-Code, welcher bedarfsmäßig zu- bzw. abgeschaltet werden kann. Die Kombination daraus wird als P/Y-Code bezeichnet. Die Verschlüsselung mit dem Y-Code soll einen möglichst manipulationssicheren Betrieb (engl. Anti-Spoofing oder AS-Mode) ermöglichen. Seit 31. Januar 1994 ist der AS-Modus permanent aktiviert und es wird nicht mehr der öffentlich bekannte P-Code direkt übertragen.

Der P-Code wird aus vier linearen Schieberegistern (LFSR) der Länge 10 gebildet. Zwei davon bilden den so genannten X1-Code, die anderen beiden den X2-Code. Der X1-Code wird mit dem X2-Code so über XOR-Verknüpfungen kombiniert, dass insgesamt 37 verschiedene Phasenverschiebungen 27 verschiedene Wochensegmente des P-Codes ergeben. Die Längen sind bei diesem Code wesentlich länger als beim C/A-Code. So liefert der X1-Codegenerator eine Länge 15 345 000 Chips und X2 eine Codefolge, die exakt um 37 Chips länger ist. Die Dauer, bis sich der P-Code wiederholt, ergibt sich daraus zu 266 Tagen (38 Wochen). Der P/Y-Code wird mit einer Chiprate von 10,23 Mcps gesendet, das entspricht der zehnfachen Chiprate des C/A-Codes. Er benötigt daher ein breiteres Frequenzspektrum als der C/A-Code.

Zur Unterscheidung der einzelnen GPS-Satelliten im P/Y-Code wird die sehr lange Codefolge von rund 38 Wochen Dauer in einzelne Wochensegmente aufgeteilt. Jeder GPS-Satellit hat einen genau eine Woche lang dauernden Codeabschnitt zugewiesen, und am Anfang jeder Woche (Sonntag 00:00 Uhr) werden alle P-Codegeneratoren wieder auf den Startwert zurückgesetzt. Damit wiederholt sich pro GPS-Satellit der P/Y-Code einmal pro Woche. Die Bodenstationen benötigen fünf Wochensegmente des in Summe 38 Wochen langen P-Codes für Steueraufgaben, 32 Wochensegmente sind für die Unterscheidung der einzelnen GPS-Satelliten vorgesehen.

Der C/A-Code dient dabei auch zur Umschaltung (so genanntes Hand Over) auf den P/Y-Code. Da die P-Codefolge pro GPS-Satellit eine Woche umfasst, wäre das direkte Synchronisieren einfacher Empfänger auf die P-Codefolge ohne Kenntnis der genauen GPS-Uhrzeit praktisch unmöglich. Einfache GPS-Empfänger, die den P/Y-Code verwenden, synchronisierten sich zuerst auf den C/A-Code, gewinnen aus den übertragenen Daten die notwendige Umschaltinformationen wie Uhrzeit, Wochentag und andere Informationen, stellten damit ihre P-Codegeneratoren entsprechend ein und schalteten dann auf den Empfang des P/Y-Code um.

Moderne militärische GPS-Empfänger werden heute mit einer sehr viel größeren Anzahl von Korrelatoren ausgestattet, ähnlich wie der im zivilen Bereich eingesetzte SiRFstar-III-Chipsatz, wodurch es möglich ist, den P/Y-Code direkt auszuwerten. Diese Empfänger werden bei den Herstellern als „direct-Y-code“-Empfänger bezeichnet. Diese Empfängergeneration macht es möglich, den C/A-Code zu stören, um die Nutzung von zivilen GPS-Empfängern durch gegnerische Kräfte beispielsweise zum Vermessen von Feuerstellungen zu verhindern. Da die Bandbreite des militärischen Signals ca. 20 MHz ist, können die 1-2 MHz Bandbreite des C/A-Codes, die zivil genutzt werden, gestört werden, ohne dass militärische Empfänger wesentlich beeinträchtigt werden. Das und die Annahme, dass heutige Konflikte regional begrenzt sind, führten zur Entscheidung, die künstliche Verschlechterung abzuschalten.

Die genauen Parameter für die Y-Verschlüsselung des P-Codes sind nicht öffentlich bekannt. Die Parameter der Navigationsdaten (Nutzdaten, Rahmenaufbau, Bitrate), die mittels P/Y-Code übertragen werden, sind allerdings exakt gleich zu den Daten, die mittels der öffentlich bekannten C/A-Codefolge übertragen werden. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass der Takt der P/Y-Codefolge im Satelliten grundsätzlich keinem künstlichen Taktfehler unterworfen wird und der P-Code auch die 10-fache Taktrate zum C/A-Code aufweist. Damit können P/Y-Empfänger die für die Positionsbestimmung wesentliche Information der Übertragungszeiten genauer gewinnen.

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 Betreff des Beitrags: Re: [RL] Satellitennavigation
BeitragVerfasst: 22.07.2010, 14:12 
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Meister der Rekruten
Gaidin der VC

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Huiuiui - harter Tobak :look

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 Betreff des Beitrags: Re: [RL] Satellitennavigation
BeitragVerfasst: 22.07.2010, 15:02 
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Aes Sedai der Braunen

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gelesen aber bestimmt so gut wie nichts verstanden :look (werd das später noch mal lesen :nod )

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 Betreff des Beitrags: Re: [RL] Satellitennavigation
BeitragVerfasst: 22.07.2010, 16:51 
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Gaidin der VA

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Hmm. Scheinbar ist es zu heiß.

Dann machen wir hitzefrei, bis es wieder für den Unterricht kalt genug ist und die grauen Zellen nicht heißlaufen können. :grin

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 Betreff des Beitrags: Re: [RL] Satellitennavigation
BeitragVerfasst: 20.08.2010, 15:59 
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Gaidin der VA

Registriert: 18. 04. 2007
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So. Die extrem heiße Zeit ist vorbei, daher werde ich das letzte Thema noch einmal aufgreifen, allerdings etwas einfach formulieren.

Was man bei GPS-Signalen wissen muss, ist, dass es zwei Arten von Signalen gibt, dievom Satelliten an den Erdboden geschickt werden: den C/A-Codes und den P/Y-Code. Der C/A-Code wird nur auf der L1-Frequenz übertragen, der P/Y-Code hingegen auf L1- und L2-Frequenz. Während der C/A-Code von jedermann nutzbar ist, ist vom P/Y-Code nur der P-Teil bekannt, der Y-Code ist geheim und dem Militär vorbehalten. Der L2-Frequenz kann zur Verbesserung der Messwerte der C/A-Code zugeschaltet werden. Der C/A-Code wird in sogenannten "Chips" gesendet.

Jede C/A-Codefolge ist durch eine Phasenverschiebung unterschiedlich, weshalb mehrere Satelliten von einem Empfänger empfangen werden können, obwohl die Struktur grundsätzlich gleich ist. So können die Empfänger die einzelnen Satelliten auseinanderhalten.

Die künstliche Verschlechterung der Daten wurde erreicht, indem die Zeitfolge der gesendeten Chips zufällig verändert wurde. Es ist einleuchtend, dass eine andere Position bei der Berechnung herauskommt, wenn man an den Zeitinformationen der einzelnen Satelliten spielt. Dieser weltweit funktionierende Jitter (zeitliche Schwankungen) ist aber abgeschaltet. Um das Militär in Krisengebieten weiterhin zu schützen, hat man einen Jammer (Verschlechterungsvorrichtung) eingesetzt, der das Signal regional beeinträchtigt. Da es keine Informationen darüber gibt, welche Gebiete gerade dem Jammer unterliegen (vielleicht reicht eine Demo in Kleinposemuckel für eine Krise?), ist das GPS-System weiterhin nicht sehr verlässlich, was die Genauigkeit betrifft.

Ist deine Frage damit erst einmal beantwortet, Zyran?

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 Betreff des Beitrags: Re: [RL] Satellitennavigation
BeitragVerfasst: 20.08.2010, 20:44 
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Aes Sedai der Weißen

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Ja, damit wäre das recht einleuchtend erkärt, Farlam Gaidin.
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