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Verwendung von GPS-Empfängern zur
Frequenz- und Zeitbestimmung
GPS-Empfänger sind zwar erheblich komplexere Geräte
als andere Zeitzeichen-Empfänger, sie werden in abseh-
barer Zeit kaum noch teurer sein als bislang auf Quarz-
oder Rubidium-Oszillatoren basierende Referenznormale,
da die vielseitige Verwendbarkeit der GPS-Empfänger
künftig eine preiswerte Großserienproduktion der eigent-
lichen GPS-Empfangseinheit ermöglicht. Der folgende
Abschnitt beschreibt Unterschiede zwischen verschie-
denen Empfängerkonzepten, insbesondere die Vorteile der
Trägerphasen-Messung (wie im HM8125 verwendet) für
die schnelle Erkennung und Ausregelung von
Frequenzschwankungen.
Funktionsprinzip des GPS-Systems
Das "Global Positioning System" (GPS) ist ein satelliten-
gestütztes Navigationssystem, welches neben einer
Ortsbestimmung auch eine sehr genaue Zeitbestimmung
sowie das genaue Messen bzw. Erzeugen von Normal-
Frequenzen ermöglicht. Das Navigationsverfahren beruht
auf einer Bestimmung der Abstände des Empfängers zu
verschiedenen Satelliten. Dazu werden die Laufzeiten der
von diesen Satelliten abgestrahlten Signale gemessen.
Aus ihnen lassen sich dann unter Verwendung der Bahn-
daten der Satelliten der Empfangsort sowie der Stand
der Empfängeruhr bestimmen. Entsprechend läßt sich
aus den Änderungsraten der Laufzeiten die Geschwin-
digkeit des Empfängers sowie der Gang der Empfänger-
uhr bestimmen. Die Bereitstellung der für die Rechnun-
gen benötigten Daten ist Aufgabe einer Reihe von Bo-
denstationen. Diese ermitteln aus ihren Laufzeit-Mes-
sungen die Bahndaten sowie andere Werte und senden
sie auf einem Telemetriekanal an die Satelliten, die sie
dann wiederum an die Empfänger senden. Für eine drei-
dimensionale Positionsbestimmung benötigt man die
Laufzeiten von vier verschiedenen Satelliten: drei zur
Bestimmung der gesuchten Ortskoordinaten und einen
vierten zur Bestimmung des zunächst unbekannten
Standort der Empfängeruhr. Für einen reinen Zeit-Emp-
fänger, der an einem bekannten Ort steht, reicht dage-
gen im Prinzip schon der Empfang eines einzelnen Sa-
telliten aus. Der Empfang mehrerer Satelliten ermöglicht
aber eine deutliche Erhöhung der Zuverlässigkeit durch
Konsistenzprüfungen. Da ständig mindestens fünf Sa-
telliten über dem Horizont sind, ist für die Zeitbestimmung
ein hohes Maß an Redundanz gegeben. Ferner kann man
durch Mittelung über die Meßergebnisse von mehreren
Satelliten den Einfluß der "Selective Availability" (s.u.)
mindern. Die genannten Laufzeitmessungen werden in
einem Korrelationsverfahren durchgeführt: Der vom Sa-
telliten abgestrahlte Träger (1.575GHz) ist mit einem für
den jeweiligen Satelliten charakteristischen Pseudo-
Rausch-Code vom 1023 Bit Länge und, 1ms Dauer mo-
duliert. Der Anfang dieser Code-Sequenz fällt mit der
ganzen Millisekunde der Satellitenuhr zusammen. Durch
Korrelation des Antennensignals mit einem im Empfän-
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
ger erzeugten gleichartigen Code läßt sich die Code-Pha-
se bei Ankunft des Signals an der Antenne bestimmen.
Die verbleibende Unsicherheit über die ganze Zahl der
Millisekunden für die Laufzeit wird durch die Auswer-
tung des 50-Baud-Datenstroms aufgehoben.
Erreichbare Genauigkeit für
reine C/A-Code-Empfänger
Die Korrelationsfunktion ist ein Dreieck mit einer Breite
von etwa 1µs. Außerhalb dieses Dreiecks verschwindet
das Korrelationssignal. Bei einem typischen Signal/Rausch-
Verhältnis läßt sich die Mitte des Dreiecks in 1s auf etwa
10ns, also 1% der Breite auflösen. Abbildung 1 zeigt dazu
eine Meßreihe (gepunktete Kurve), in der die Differenz
zwischen der nach den Bahndaten erwarteten und der
vom Empfänger gemessenen Laufzeit dargestellt ist. Diese
Differenz ist gerade der Wert, den der Empfänger für den
Stand seiner Uhr gegenüber der GPS-Systemzeit ermit-
telt. Tatsächlich war die Empfängeruhr auf eine Atomuhr
synchronisiert, so daß der Gang zunächst Null war. Die-
ser wurde dann definiert um etwa 12x10
aufhin der Stand stetig anwuchs, bis der Gang nach etwa
20s wieder zurückgesetzt wurde.
Für eine Frequenzbestimmung aus zwei aufeinanderfol-
genden unabhängigen Messungen der Code-Phase mit
1s Abstand erreicht man damit eine Genauigkeit von 10
Dies ist zugleich die Genauigkeit, mit der ein reiner C/A-
CodeEmpfänger einen Oszillator in 1s auf seine Nenn-
frequenz regeln kann.
Abb. 1 Gemessener Stand der Empfängeruhr gegenüber
der GPS-Systemzeit. C/A-Code ⋅⋅⋅⋅⋅; Code gemittelt ---;
mit Trägerphase ——
Da die erreichbare Genauigkeit durch das Empfangs-Rau-
schen begrenzt ist, läßt sie sich durch Mittelung über
mehrere Messungen natürlich verbessern. Das Ergeb-
nis einer Mittelung des Standes über 10Sekunden ist in
Abbildung 1 als gestrichelte Linie eingezeichnet.Der Nach-
teil jeder Mittelung ist, daß plötzliche Änderungen im
Signalverlauf nur mit einer Verzögerung entsprechend der
Mittelungszeit festgestellt werden können. Diesen Ef-
-9
geändert, wor-
-8
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