GNSS-Signale

Frequenzbänder

Internationale Telecommunication Union (ITU) definiert geschützte Frequenzbänder für jede Anwendung.
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L-Band (1-2 GHz)

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Die aktuellen Systeme verwenden verschiedene Frequenzbereiche. Galileo Frequenzen wurden so gewählt, das sie sich mit anderen schon genutzten überschneiden, das erleichtert die Empfänger Konstruktion.

Wie werden Frequenzen erzeugt?

Es gibt eine Fundamentalfrequenz 10.23 MHz welche durch eine Zahl multipliziert, werden um auf die Frequenz im L-Band zukommen.

L1: 1575.42 MHz = 154 x 10.23 MHz, $λ_{1}$ ~ 19 cm
L2: 1227.60 MHz = 120 x 10.23 MHz, $λ_{2}$ ~ 24 cm
L5: 1176.45 MHz = 115 x 10.23 MHz, $λ_{5}$ ~ 25 cm

Im L1 Band, sind zwei verschiedene Codes auf das Signal aufmoduliert.
Auf der Trägerwelle werden durch Phasenmodulation die Message hinzugefügt.

Signalmodulation

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\begin{aligned} L_{1} (t) & = A_{P_{1}} P (t) D (t) \cos (ω_{1} t + ϕ_{1} (t)) + A_{C} C (t) D (t) \sin (ω_{1} t + ϕ_{1 (t))} \\ L_{2} (t) & = A_{P_{2}} P (t) D (t) \cos (ω_{2} t + ϕ_{2} (t)) \end{aligned}

$t$ : Zeit (gemäss der Satellitenuhr)
$A_{P_{1}}, A_{P_{2}}, A_{C}$ : Amplituden des P-Code auf $L_{1}$ und $L_{2}$ und des C/A-Code auf $L_{1}$
$P (t), C (t)$ : P-Code und C/A-Code Modulationssignal ( $+ 1$ oder $- 1$ )
$D (t)$ : Modulationssignal der Navigation Message ( $+ 1$ oder $- 1$ )
$ω_{1} = 2 π f_{1}, ω_{2} = 2 π f_{2}$ : Kreisfrequenzen des Signals
$ϕ_{1} (t), ϕ_{2} (t)$ : Phasenverschiebungen im $L_{1}$ - und $L_{2}$ -Signal durch Frequenzabweichungen und Rauschen

Code besteht aus binären Werten, ein einzelner Wert wird Chip genannt, wenn ein wechsel des Code-wertes stattfindet wird die Phase gedreht um 180 Grad.

Chip-Rate (CR): Rate mit der sich die einzelnen Chips ändern können, Mchips/s
Chip-Länge (CL): Intervall zwischen zwei Chips, multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit
Repetitionsrate (RR)

Example: GPS L1 C/A

Chip-Rate: 1.023 Mchips/s
Chip-Länge: 293 m
Repetitionsrate: 1 ms

Codes

C/A-Code: Clear Access / Coarse Acquisition Code. Frequenz von 1.023 MHz. Folge von 1023 Chips.
P-Code: Protected / Precise Code. Frequenz pvon 10.23 MHz. Folge von 2∙ 1014 Chips (226.2771 Tage).

Code	C/A-Code	P-Code
Frequenz	1.023 MHz	10.23 MHz
Chipping-Rate	$1.023 \cdot 10^{6}$ bps	$10.23 \cdot 10^{6}$ bps
Chip-Länge	$\approx 293$ m	$\approx 29.3$ m
Repetitionsrate	1 ms	1 Woche
Code-Typ	37 unterschiedliche Codes	37 1-Wochen-Stücke
Eigenschaften	Einfachere Signalaquisition	Genauer, verschlüsselt

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Signale

GLONASS-Signale

Unterscheiden sich durch die Frequency Channel Number k, kann man nachschlagen.
Es wird aber trotzdem ein C/A oder P code aufmoduliert, es ist aber immer derselbe code.

GALILEO-Signale

Es gibt nur zivile Signale.
Sendet auf drei verschiedenen Frequenzbändern.
Zusätzlich noch verschiedene Service Signale die benutzt werden können:

Open Service (OS): Frei zugängliche Codes auf E1, E5a und E5b. Initial Service seit 2016
High Accuracy Service (HAS): Auch als Commercial Service (CS) bekannt geworden. Frei auf dem E6-Band verfügbar. Beinhaltet weitere Korrekturen für die Positionierung mit 2dm-Genauigkeit. Verfügbar seit Jänner 2023.
Safety-of-Life (SoL) Service: Basierend auf dem OS-Signal zur Positionsbestimmung. Erlaubt die Aussendung einer Warnmeldung gemeinsam mit der Nutzerposition zu senden. Zusätzlicher Datenkanal für die bidirektionale Verbindung. Operationell seit 2020.
Public Regulated Service (PRS): Limitierter Zugang für autorisierte Nutzer über E1 und E6 für sicherheitskritische Anwendungen.

High Accuracy Service

Converge Time: Zeit bis endgültige Präzision erreicht wird.

Besteht aus 25 Frames, jeder Frame hat 5 Sub-frames.
50 Bits/s, 30 s pro Frame -> 25 * 30s = 12.5min.
Sub-frame 1-3 werde in jedem Frame übermittelt, enthalten Orbit, Zeit und Zeitkorrekturen.
Sub-frame 4-5 sind in jedem Frame leicht unterschiedlich.

Almanachdaten sind ungenauer und werden für Planung weiterer Satelliten gebraucht.
Das Refraktionsmodel erhält Daten über die Ionosphäre, um die zu korrigieren From Atmosphere to Space.
Es werden immer Bahndaten über alle Satelliten mitgeschickt

Künstliche Verschlechterung der Signale

GPS ist in erster Linie militärisch, deswegen wird festgelegt wie genau die Signale für die Nutzer sind.

Standard Positioning Service (SPS): 5-10m
Precise Positioning Services (PPS): 1-2m / sub 1m mit P-Code

Selective Availability (SA)

Epsilon: Fehlerhafte Bahninformationen
Dither: Dauernde Frequenzänderung in der Satellitenuhr. Hat keinen Einfluss auf die relative Positionierung.

Wurde am 2. Mai 2000 abgeschaltet.

Anti-Spoofing (AS)

P-Code wird mit einem anderen W-Code überlagert, das resultiert im Y-Code. Der W-Code ist nur autorisierten Benutzern bekannt

GNSS-Signale

Frequenzbänder

Wie werden Frequenzen erzeugt?

Signalmodulation

Codes

Signale

GLONASS-Signale

GALILEO-Signale

High Accuracy Service

Navigation Message

Künstliche Verschlechterung der Signale

Selective Availability (SA)

Anti-Spoofing (AS)