Durch den Abgleich der Zeitdifferenz zwischen dem von der Atomuhr des Satelliten erzeugten Code und der (nicht so atomaren) Uhr des Nutzers kann der GPS-Empfänger den Code abgleichen und eine Zeitdifferenz berechnen. Auf der Grundlage der berechneten Zeitdifferenz und des bekannten Wertes der Lichtgeschwindigkeit kann die Entfernung zwischen dem SV und dem Empfänger bestimmt werden (Lichtgeschwindigkeit multipliziert mit der Zeit). Aufgrund der Diskrepanz zwischen den Uhren, der Verlangsamung des Lichts durch die Atmosphäre und der leichten Ungenauigkeit des übertragenen Almanachs wird diese Entfernung als Pseudoentfernung bezeichnet.

Die Position des Empfängers kann dann berechnet werden, indem die Entfernungen mehrerer Satelliten miteinander verschnitten werden. Drei Satelliten sind für die Bestimmung einer zweidimensionalen Position erforderlich, vier oder mehr für eine dreidimensionale.

Differentiale Korrekturen

Da wir die Position des Satelliten und die Position des bekannten Empfängers kennen, können wir die Differenz zwischen der realen Entfernung und der Pseudoentfernung zur Erstellung einer Korrektur heranziehen und die Pseudoentfernungskorrektur für jeden Satelliten auf den unbekannten Empfänger oder Rover anwenden, um eine bessere Position zu berechnen.

Code Differential: 

Wir haben bereits die Grundlagen der Berechnung von Entfernungen mit Hilfe von Codetechniken behandelt. Wenn wir dieselben Techniken anwenden, um Differentialkorrekturen auf die Entfernungen anzuwenden, können wir auf eine Lösung von 30 Zentimetern und 3 Metern hoffen.

Phasendifferenzial:

 Da es bei den Phasendaten um die Wellen geht, stellt sich das Problem, herauszufinden, wie viele ganze Wellen es wirklich gibt, was als “Integer Ambiguity” bezeichnet wird. Sobald die bessere Annäherung der Position bekannt ist, kann eine statistische Berechnung der Phasenüberschneidungen von mehreren Satelliten verwendet werden, um mehrdeutige Ergebnisse aufzulösen. Da wir die Länge der Wellenlänge kennen (z. B. 19,4 cm für L1), können wir die Anzahl der Wellenlängen plus den Bruchteil addieren, um eine zeitunabhängige Entfernung zu erhalten.

Um diese Daten zu verarbeiten, muss der Benutzer über eine Bürosoftware verfügen, die in der Lage ist, die Differenzen zu berechnen, sowie über einen Empfänger, der in der Lage ist, Rohdaten zu erfassen, die in der Regel aus einer Navigationsdatei mit Satelliteninformationen und einer Beobachtungsdatei mit Pseudoentfernungen und den entsprechenden SVs bestehen. Obwohl die meisten Empfänger einen eigenen Rohdateityp verwenden, wurde ein allgemeines Format mit der Bezeichnung Receiver Independent Exchange Format (RINEX) geschaffen, um die Verarbeitung zwischen verschiedenen Empfängern und Softwarepaketen zu erleichtern.

Die Echtzeit-Differenzialmessung erfordert die Verwendung eines Referenzempfängers, unterscheidet sich aber von der Nachbearbeitung dadurch, dass die Korrekturen sofort an den Benutzer oder “Rover” weitergeleitet werden.

Echtzeit-Code:

 Es gibt derzeit mehrere gängige Formen des RT-Code-Differentials, die dem Verbraucher zur Verfügung stehen.

Funkbaken-Korrektur: 

Eine landgestützte Funkkorrektur, die in der Regel von der Küstenwache kontrolliert und kostenlos zur Verfügung gestellt wird. (In den Vereinigten Staaten wurde eine nationale DGPS-Initiative gestartet, um eine doppelt redundante Bakenabdeckung in den 48 kontinentalen Staaten zu gewährleisten).

atellitenbasierte Korrekturen: Ein abonnementbasierter Dienst, der dem Nutzer Korrekturen von einem geostationären Satelliten liefert.

WAAS EGNOS und MSAS:

 Das Wide Area Augmentation System und seine Schwesterkorrekturen in Europa und Japan sind ein neues satellitengestütztes Differenzial, das zwar kostenlos ist, dessen Zuverlässigkeit aber noch fraglich ist. Im Gegensatz zum Funk- und Satellitendifferential korrigiert WAAS die atmosphärischen und orbitalen Daten, so dass autonome Berechnungen die wahre Position besser bestimmen können.

Benutzerdefiniert: Höherwertige Geräte können ihr eigenes Differential erstellen, indem sie zwei Empfänger (einen Referenz- und einen Rover-Empfänger) verwenden und über Funk, Internet oder Mobiltelefon kommunizieren.

Echtzeit-Phase: 

Obwohl ähnliche Methoden verwendet werden, ist RT-Phase (Real Time Kinematic) weitaus komplexer als der Code und wird in der Regel mit L1/L2 RTK-fähigen GPS-Empfängern durchgeführt.

Fehlerquellen: 

Schließlich ist es wichtig, die vielen Fehlerquellen von GPS-Empfängern zu erkennen, die wir als Nutzer nicht nur kennen, sondern auch korrigieren müssen.

Mittlerweile sind die meisten von uns mit GPS in irgendeiner Form in Berührung gekommen: Es befindet sich in unseren Autos, manchmal auf dem Armaturenbrett und manchmal im Handschuhfach; es hält Einzug in unsere Mobiltelefone und wird sogar an Kindern angebracht… Oh, die Menschheit!

GPS, das Global Positioning System, ist ein Satellitennavigationssystem, das dem terrestrischen Nutzer Positionsbestimmung und Uhrzeit liefert. Das System besteht aus mehr als nur Satelliten. Das System besteht nicht nur aus Satelliten, sondern auch aus einem Kontrollsegment, das die Satelliten überwacht und wartet, sowie aus einem Nutzersegment, das den ganzen Spaß mitmacht.

Die meisten Menschen denken bei GPS an die US-amerikanische NAVSTAR-Konstellation (NAVigational System Time And Ranging), doch obwohl GPS vom US-Verteidigungsministerium entwickelt wurde, gibt es auch andere weltraumgestützte Satellitenortungssysteme, vor allem das von der ehemaligen Sowjetunion entwickelte GLONASS-System und das kürzlich von der Europäischen Union zur Finanzierung genehmigte Galileo-System.

Wo, wann, wie und warum

NAVSTAR wurde am 27. April 1995 mit einer Konstellation von 24 Block-II- und Block-IIA-Satelliten für voll funktionsfähig erklärt. Inoffiziell wurde NAVSTAR am 8. Dezember 1993 mit einer Mischung aus Block-II-, IIA- und der ursprünglichen Konzeptvalidierung von Block-I-Satelliten in Betrieb genommen. 28 Block-II-, IIA- und IIR-Satelliten befinden sich derzeit in der Umlaufbahn und sind in Betrieb (weitere Informationen unter http://tycho.usno.navy.mil/gps.html).

Jedes der 28 NAVSTAR Space Vehicles (SVs) ist mit zwei Kanälen ausgestattet: L1 und L2.Der L1-Kanal erzeugt ein Trägerphasensignal auf 1575,42 MHz sowie einen C/A- und P(Y)-Code – all diese Begriffe werden weiter unten erklärt.Der L2-Kanal erzeugt ein Trägerphasensignal auf 1227,6 MHz, aber nur einen P(Y)-Code.Derzeit gibt es Pläne, einen zusätzlichen zivilen Code auf dem L2-Band zu implementieren sowie einen brandneuen L5-Kanal zu schaffen, aber das ist Thema eines anderen Artikels.

Trägerphase: GPS verwendet Mikrowellen, und wie alle Licht- und Radiowellen hat jedes Signal eine eigene Frequenz und Wellenlänge. Obwohl diese Wellen die Atmosphäre gut durchdringen, sind sie nicht in der Lage, einen Burrito aus dem Orbit zu braten.

C/A und der P(Y)-Code: Binäre Daten, die auf das Trägersignal moduliert oder “überlagert” werden, werden als Code bezeichnet, der bei NAVSTAR GPS hauptsächlich in zwei Formen verwendet wird: Der C/A- oder Coarse/Acquisition-Code (auch als ziviler Code bekannt) ist moduliert und wird auf der L1-Welle jede Millisekunde wiederholt; der P-Code oder Precise Code ist sowohl auf der L1- als auch auf der L2-Welle moduliert und wird alle sieben Tage wiederholt.Der (Y)-Code ist eine spezielle Form des P-Codes, der zum Schutz vor falschen Übertragungen verwendet wird; zur Entschlüsselung des P(Y)-Codes muss spezielle Hardware verwendet werden, die nur der US-Regierung zur Verfügung steht.

Wie gefallen Ihnen Ihre Daten?

Natürliche und vom Menschen verursachte Fehler können die Genauigkeit von GPS um bis zu 100 Meter horizontal und 300 Meter vertikal verschlechtern. Glücklicherweise sind die vom Menschen verursachten Fehler (zumindest die absichtlichen) gegenwärtig relativ gering.

Die navigierte oder autonome Positionsbestimmung ist eine unkorrigierte Position, die vom Empfänger anhand von Code-Messungen berechnet wird.

So funktioniert der Code

Während der GPS-Empfänger die Satelliten abhört, lädt er auch Informationen über die Umlaufbahn und die Flugbahn der Satelliten herunter: Ein Almanach wird alle 12,5 Minuten übertragen und enthält ungefähre Umlaufbahnen für die Konstellation sowie atmosphärische Modelle; die Ephemeriden werden alle 30 Sekunden übertragen und enthalten kürzere, präzisere Flugbahndaten für einen bestimmten Satelliten.