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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 absehbarer Zeit kaum noch teurer sein als bislang auf Quarzoder Rubidium-Oszillatoren basierende Referenznormale, da die vielseitige Verwendbarkeit der GPS-Empfänger künftig eine preiswerte Gro�serienproduktion der eigentlichen GPS-Empfangseinheit ermöglicht. Der folgende Abschnitt beschreibt Unterschiede zwischen verschiedenen Empfängerkonzepten, insbesondere die Vorteile der Trägerphasen-Messung (wie im HM8125 verwendet) für die schnelle Erkennung und Ausregelung von Frequenzschwankungen.
ger erzeugten gleichartigen Code lä�t sich die Code-Phase bei Ankunft des Signals an der Antenne bestimmen. Die verbleibende Unsicherheit über die ganze Zahl der Millisekunden für die Laufzeit wird durch die Auswertung des 50-Baud-Datenstroms aufgehoben.
Erreichbare Genauigkeit für reine C/A-Code-Empfänger
Die Korrelationsfunktion ist ein Dreieck mit einer Breite von etwa 1µs. Au�erhalb dieses Dreiecks verschwindet das Korrelationssignal. Bei einem typischen Signal/RauschVerhältnis lä�t sich die Mitte des Dreiecks in 1s auf etwa 10ns, also 1% der Breite auflösen. Abbildung 1 zeigt dazu eine Me�reihe (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 ermittelt. Tatsächlich war die Empfängeruhr auf eine Atomuhr synchronisiert, so da� der Gang zunächst Null war. Dieser wurde dann definiert um etwa 12x10-9 geändert, woraufhin der Stand stetig anwuchs, bis der Gang nach etwa 20s wieder zurückgesetzt wurde. Für eine Frequenzbestimmung aus zwei aufeinanderfolgenden unabhängigen Messungen der Code-Phase mit 1s Abstand erreicht man damit eine Genauigkeit von 10-8. Dies ist zugleich die Genauigkeit, mit der ein reiner C/ACodeEmpfänger einen Oszillator in 1s auf seine Nennfrequenz regeln kann.
Funktionsprinzip des GPS-Systems
Das �Global Positioning System� (GPS) ist ein satellitengestütztes Navigationssystem, welches neben einer Ortsbestimmung auch eine sehr genaue Zeitbestimmung sowie das genaue Messen bzw. Erzeugen von NormalFrequenzen 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 Bahndaten der Satelliten der Empfangsort sowie der Stand der Empfängeruhr bestimmen. Entsprechend lä�t sich aus den �nderungsraten der Laufzeiten die Geschwindigkeit des Empfängers sowie der Gang der Empfängeruhr bestimmen. Die Bereitstellung der für die Rechnungen benötigten Daten ist Aufgabe einer Reihe von Bodenstationen. Diese ermitteln aus ihren Laufzeit-Messungen die Bahndaten sowie andere Werte und senden sie auf einem Telemetriekanal an die Satelliten, die sie dann wiederum an die Empfänger senden. Für eine dreidimensionale 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-Empfänger, der an einem bekannten Ort steht, reicht dagegen im Prinzip schon der Empfang eines einzelnen Satelliten aus. Der Empfang mehrerer Satelliten ermöglicht aber eine deutliche Erhöhung der Zuverlässigkeit durch Konsistenzprüfungen. Da ständig mindestens fünf Satelliten über dem Horizont sind, ist für die Zeitbestimmung ein hohes Ma� an Redundanz gegeben. Ferner kann man durch Mittelung über die Me�ergebnisse von mehreren Satelliten den Einflu� der �Selective Availability� (s.u.) mindern. Die genannten Laufzeitmessungen werden in einem Korrelationsverfahren durchgeführt: Der vom Satelliten abgestrahlte Träger (1.575GHz) ist mit einem für den jeweiligen Satelliten charakteristischen PseudoRausch-Code vom 1023 Bit Länge und, 1ms Dauer moduliert. Der Anfang dieser Code-Sequenz fällt mit der ganzen Millisekunde der Satellitenuhr zusammen. Durch Korrelation des Antennensignals mit einem im Empfän�nderungen vorbehalten / Subject to change without notice
Abb. 1 Gemessener Stand der Empfängeruhr gegenüber der GPS-Systemzeit. C/A-Code �����; Code gemittelt ---; mit Trägerphase �� Da die erreichbare Genauigkeit durch das Empfangs-Rauschen begrenzt ist, lä�t sie sich durch Mittelung über mehrere Messungen natürlich verbessern. Das Ergebnis einer Mittelung des Standes über 10Sekunden ist in Abbildung 1 als gestrichelte Linie eingezeichnet.Der Nachteil jeder Mittelung ist, da� plötzliche �nderungen im Signalverlauf nur mit einer Verzögerung entsprechend der Mittelungszeit festgestellt werden können. Diesen EfDEUTSCH 13
