Das Global Positioning System (GPS) Navigation System with Timing And Ranging (NAVSTAR) wurde als Entfernungsmesssystem von bekannten Satellitenpositionen im Weltraum zu unbekannten Positionen an Land, auf See, in der Luft und im Weltraum konzipiert. Die GPS-Konstellation besteht aus 24 Satelliten in 6 Bahnebenen mit 4 Satelliten in jeder Ebene. Die aufsteigenden Knoten der Bahnebenen sind um 60 Grad voneinander entfernt und die Ebenen sind um 55 Grad geneigt. Jeder GPS-Satellit befindet sich auf einer annähernd kreisförmigen, halbsynchronen (20.200 km Höhe) Umlaufbahn. Die Bahnen der GPS-Satelliten sind über Rundfunk verfügbar – überlagert von den GPS-Pseudozufallsrauschcodes (PRN) – oder nach einer Nachbearbeitung, um präzise Ephemeriden zu erhalten, sind sie unter anderem bei Organisationen wie dem Jet Propulsion Lab (JPL) oder dem International Geodetic Service (IGS) erhältlich. Die GPS-Empfänger wandeln die Satellitensignale in Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitschätzungen für die Navigation, Positionierung, Zeitverbreitung oder Geodäsie um.

Signale

Jeder GPS-Satellit sendet Daten auf zwei Frequenzen, L1 (1575,42 Mhz) und L2 (1227,60 MHz). Die Atomuhren an Bord des Satelliten erzeugen die L-Band-Grundfrequenz von 10,23 MHz. Die Trägerfrequenzen L1 und L2 werden durch Multiplikation der Grundfrequenz mit 154 bzw. 120 erzeugt. Den Trägerfrequenzen L1 und L2 werden zwei Pseudozufallsrauschen-Codes (PRN) sowie Satellitenephemeriden (Broadcast Ephemerides), ionosphärische Modellierungskoeffizienten, Statusinformationen, Systemzeit und Korrekturen der Satellitenuhr überlagert. Die gemessenen Laufzeiten der Signale von den Satelliten zu den Empfängern werden zur Berechnung der Pseudoentfernungen verwendet.

Der Course-Acquisition (C/A)-Code, manchmal auch Standard Positioning Service (SPS) genannt, ist ein Pseudozufallsrauschcode, der auf die Trägerfrequenz L1 aufmoduliert wird. Da die ersten Tests zur Punktortung mit dem C/A-Code bessere Positionen ergaben als erwartet, ordnete das Verteidigungsministerium die “Selective Availability” (SA) an, um unbefugten Nutzern die volle Systemgenauigkeit vorzuenthalten. SA ist die absichtliche Verfälschung der GPS-Satellitenuhren und der Broadcast-Ephemeriden. Es werden Fehler in die Grundfrequenz der GPS-Uhren eingebracht. Dieses “Dithering” der Uhren wirkt sich auf die Korrekturen der Satellitenuhren sowie auf die Pseudo-Entfernungsangaben aus. Fehler werden in die Broadcast Ephemeriden eingebracht, indem die Bahninformationen in der Navigationsnachricht abgeschnitten werden.

Der Präzisionscode (P), der manchmal auch als Precise Positioning Service (PPS) bezeichnet wird, wird auf die L1- und L2-Träger moduliert, wodurch die Auswirkungen der Ionosphäre erster Ordnung beseitigt werden können. Der P-Code wird als Y-Code bezeichnet, wenn er verschlüsselt ist. Der Y-Code ist eigentlich eine Kombination aus dem P-Code und einem W-Verschlüsselungscode und erfordert einen vom DoD autorisierten Empfänger, um ihn zu verwenden. Ursprünglich war die Verschlüsselung als Mittel zum Schutz des Signals vor Interferenzen, Störungen oder verfälschten Signalen mit der GPS-Signatur gedacht. Aufgrund der Absicht, sich gegen “Spoofing” zu schützen, wird die Verschlüsselung als “Anti-Spoofing” (A-S) bezeichnet. A-S ist entweder “an” oder “aus”; es gibt keine variable Wirkung von A-S wie bei SA.

Atmosphärische Effekte

GPS-Signale, die die Atmosphäre durchqueren, unterliegen Brechungseffekten wie Strahlenbeugung und Ausbreitungsverzögerungen. Dazu gehören die atmosphärischen Effekte der Troposphäre und der Ionosphäre.

Troposphäre

Die größten Auswirkungen der Troposphäre können vermieden werden, indem Sie eine Elevationsmaske für Ihren Empfänger vorschreiben und so die Signale von Satelliten in niedriger Höhe vermeiden. Mit einer Elevationsmaske von 15 Grad können von einem Standort auf der Erde zu jedem Zeitpunkt 4-8 Satelliten gleichzeitig beobachtet werden. Die Troposphäre besteht aus dem “hydrostatischen (trockenen)” Teil und dem “feuchten” Teil, der den Wasserdampf enthält. Der trockene Teil macht 90 % der troposphärischen Brechung aus, während der feuchte Teil 10 % ausmacht. Die Modelle für die trockene Troposphäre sind jedoch genauer als die Modelle für die feuchte Troposphäre. Daher haben die Fehler in der feuchten Troposphäre eine größere Auswirkung auf die Pseudofelgenabweichung als die Fehler in der trockenen Troposphäre.

Ionosphäre

Einige Modelle versuchen, alle Effekte der Ionosphäre zu berücksichtigen, erfordern jedoch einen hohen Aufwand bei der Modellierung der stark zeitabhängigen Gesamtelektronenzahl der Atmosphäre. Ein Verfahren zur Beseitigung der Effekte erster Ordnung der Ionosphäre kombiniert die L1- und L2-Beobachtungswerte linear zu einem neuen Signal, das frei von ionosphärischen Effekten ist. Alternativ kann auch eine Korrektur eines der beiden Signale ermittelt werden. Der Beitrag der Ionosphäre zur Pseudoentfernungsabweichung erster Ordnung hängt mit dem Kehrwert der Frequenz im Quadrat zusammen.