GPS Funktionsprinzip

Die Satelliten senden von Atomuhren an Bord getaktete Signale aus, die am Boden empfangen und dort mit einer Uhr verglichen werden. Somit können Laufzeiten gemessen werden. Die Empfängeruhr weist jedoch einen Unterschied zur Satellitenzeit1 auf, weshalb alle Laufzeiten um diese Differenz falsch gemessen werden. Rechnet man mit der Lichtgeschwindigkeit die Laufzeiten in Strecken um, so erhält man sogenannte Pseudoranges2 . Da man die Positionen der Satelliten aus bekannten Bahnangaben berechnen kann, ist es möglich, aus gleichzeitigen Messungen zu 4 Satelliten den Empfangsort, der durch drei Koordinaten (z.B. Länge, Breite, Höhe) festgelegt wird, und die Zeitdifferenz zwischen Empfängeruhr und Satellitenzeit zu bestimmen.

1 die GPS-Satellitenuhren sind untereinander synchronisiert und gehen nach der Zeitskala UTC(GPS).
2 Pseudoranges (engl., unechte Strecken) sind Strecken, die alle um den gleichen (unbekannten) Betrag fehlerhaft sind.



Satellitensignale

Die Satelliten sendeten bis vor kurzem nur zwei Frequenzen aus:

  • L1 mit 1575,43 Mhz
  • L2 mit 1227,60 Mhz

Eine dritte Frequenz

  • L5 mit 1176,45 MHz

wurde nunmehr zur Steigerung der Robustheit für sicherheitsrelevante Anwendungen (Luftfahrt, Safety of Life) hinzugefügt. Die Frequenzen sind mit einem "pseudo random noise code" (PRN) phasenmoduliert, der die Navigationsnachricht enthält. Für normale Anwendungen steht der

  • C/A-code (ClearAcces / Coarse Acquistion) zur Verfügung, für genauere Anforderungen der
  • P/Y code - (Protected / Precise), der allerdings nur mit Zugangsberechtigung entschlüsselt werden kann.

Mit der Navigationsnachricht werden die Broadcast Ephemeriden1, Satellitenuhr-Korrektur, Almanachdaten2 und der Status der Satelliten übertragen.

1 Satellitenbahndaten
2 Bahndaten aller GPS-Satelliten


Kontrollsegment

Die U.S. Air Force betreibt ein Netz von Bodenstationen, um die Satelliten zu beobachten und zu kontrollieren. Aus den Daten können die Umlaufbahnen berechnet und die Uhren der Satelliten überwacht werden. Von einigen Stationen können die Satelliten per Funk mit neuen Daten gefüttert werden.

An den sogenannten "uplink stations" werden die Satelliten bei den Überflügen mit den Bahnelementen, den sog. Broadcast Ephemeriden, versorgt. Ergänzend werden von der zuständigen Defense Mapping Agency (DMA) weitere Stationen betrieben, um Daten zu gewinnen, mit denen sehr genaue Bahnen berechnet werden können.