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Frequenzstabilität als Funktion der Mittelungszeit für et-
was unterschiedliche Verhältnisse (Signal/ Rausch-Ver-
hältnis S/N und Dauer der Einzelmessung). Tatsächlich
werden in dem Empfänger einmal pro Sekunde unab-
hängige
Trägerfrequenzmessungen
Beobachtungsdauer zwischen 80ms und 640ms durch-
geführt. Über diese Meßergebnisse kann dann gemittelt
werden. Die Kurven fallen in etwa mit einer Steigung
von -1/2 ab; demnach handelt sich bei dem begrenzen-
den Effekt um Rauschen und nicht um systematische
Fehler. Bei dieser nicht optimierten Auswertung des
Trägersignals kann der Empfänger mehrere Satelliten
quasigleichzeitig messen und parallel auswerten. Die bei
optimaler Auswertung erzielbare Kurzzeitstabilität ist im
Diagramm gepunktet als 'kohärent' eingetragen.
Abb.4 —— Kurzzeitstabilität (Standardabweichung) ver-
schiedener Trägerfrequenz-Messungen. Spezifikation ei-
ner Cäsium-Atomuhr (HP 5061A) zum Vergleich –––; er-
wartete Meßauflösung bei kohärenter Auswertung ⋅⋅⋅⋅⋅⋅
Zum Vergleich sind als weitere Kurve gestrichelt die Da-
ten für eine CäsiumAtomuhr eingezeichnet. Der Verlauf
der Kurven zeigt, daß ein Trägerphasen messender GPS-
Präzisionsempfänger eine Atomuhr nicht nur 'disziplinie-
ren', sondern schlicht ersetzen kann.
Diese hohe Genauigkeit kann ein reiner C/A-Code-Emp-
fänger auch mit vielen parallelen Kanäle wie sie heute in
den meisten Geräten verwendet werden nicht erreichen.
Für einen Empfänger, der die Trägerphase messen
kann, reicht es dagegen völlig aus, wenn er mit nur ei-
nem Kanal die verschiedenen Satelliten im Zeitmultiplex
verfolgt.
Begrenzungen der nutzbaren Genauigkeit
Die hohe Genauigkeit in der Signalauswertung liefert zur
Zeit nur eine entsprechend große Absolutgenauigkeit
bei Vermessung einiger weniger bestimmter Satelliten,
da die Betreiber des GPS die den zivilen Nutzern zu-
gänglichen Signale und Daten der meisten Satelliten
künstlich verschlechtern. Dazu wird offensichtlich
der Lauf der Satellitenuhren moduliert. Möglicherweise
werden auch kleine Fehler in die Bahndaten eingearbei-
Änderungen vorbehalten / Subject to change without notice
tet. Diese zum Zwecke der 'Selective Availability' (SA)
eingeführten Störungen führen zu einer Unsicherheit von
etwa 100ns bei der Standmessung und von etwa ±1x10
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bei der Gangmessung. Eine Eliminierung dieser Fehler
mit
einer
ist nur mittels geheimer Verfahren möglich.
Welche der Satelliten durch Aktivierung der SA wann
gestört sein werden, ist nicht vorhersagbar. Allerdings
ist die Aktivierung der SA an den Bahndaten erkennbar.
Nur noch vier der insgesamt zur Zeit 24 Satelliten stam-
men aus einer alten Generation, die eine Modulation des
Uhrenganges noch nicht ermöglichte. Sie liefern daher
Meßwerte mit voller Genauigkeit. Die in den Abbildun-
gen 1, 2 und 4 gezeigten Daten wurden mit ungestörten
Satelliten aufgenommen.
Eine andere Quelle für Ungenauigkeiten ist der Einfluß
der Ionosphäre auf die Signalausbreitung. Es gibt zwar
Modelle, die diesen Einfluß zu beschreiben versuchen,
ihre Anwendung kann aber die Fehler nicht vollständig
beseitigen.
Differenzmessungen (DGPS)
Weder die durch SA noch die durch die Ionosphäre er-
zeugten Fehler können in einem normalen Empfänger
beseitigt werden. Sind höhere Genauigkeiten für die Zeit
und/oder die Frequenzmessung nötig, so ist ein diffe-
rentieller (DGPS-) Betrieb nützlich:
Ein Empfänger wird an einem bekannten Ort an eine sehr
genaue Uhr angeschlossen (beispielsweise an die Atom-
uhr der PTB) und mißt die momentanen Uhrenfehler al-
ler empfangenen Satelliten. GPS-Empfänger, die diese
Meßergebnisse über Funk, Telefon o.ä. übermittelt be-
kommen, können diese dann in der Auswertung ihrer
Empfangsdaten als Korrekturen berücksichtigen. Das
Differentialverfahren beseitigt alle Fehler, die am Ort des
Referenzempfängers und am Ort des nutzenden Emp-
fängers gleich sind. Die Verbreitung der Korrekturdaten
könnte vielleicht einmal ein Dienst der PTB sein, so wie
diese heute die Zeit über DCF77 verbreitet.
Welchen Nutzen solch ein Dienstes bringen würde, zeigt
ein erstes Experiment, das in der PTB mit zwei Empfän-
gern durchgeführt wurde. Abbildung 5 zeigt Messungen
an einem Satelliten mit eingeschalteter SA von zwei un-
abhängig voneinander arbeitenden Empfängern. Die bei-
den äußeren Kurven zeigen die von den beiden Empfän-
gern ermittelten Uhrenstände, an denen man deutlich
die Wirkung der SA erkennt. Die mittlere Kurve zeigt (in
vergrößerten Maßstab) die Differenz zwischen den Code-
Phasenmessungen der beiden Empfänger. Der verblei-
bende Fehler ist erheblich kleiner als der der beiden
Einzelmessungen. Es ist zu erkennen, daß es sich dabei
nicht um weißes Rauschen handelt.
Vermutlich resultiert der Restfehler aus lokal begrenzten
Reflexionen, die für verschiedene Antennenpositionen
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