|
De van de satelliet afkomstige draaggolven vinden hun eindbestemming op of nabij de aarde met een, vrij vertaalde, rechtse-cirkelvormige polarisatie. Twaalf, in een vast patroon geplaatste, spiraalvormige 'helical'-antennes dragen hier zorg voor. Een uitleg van de hier gehanteerde antenne-techniek is in dit kader niet van belang, belangrijker is te weten dat dit het voordeel oplevert dat de (kleine) antenne van de ontvanger niet secuur gericht hoeft te worden om de zwakke signalen te kunnen ontvangen. Door de verwerking van de van vier of meer satellieten afkomstige signalen is niet alleen een berekening van de positie en bepaling van de juiste tijd mogelijk, door gelijktijdig met deze zelfde satellieten het Doppler-effect te meten is ook de snelheid van de ontvanger te verkrijgen.
  Alle satellieten in de NAVSTAR-constellatie zenden continue hun unieke binaire C/A- en P-codes uit op dezelfde L-band frequenties (1575,42 MHz (Link 1=L1) en 1227,6 MHz (Link 2=L2)). Het gebruik van de unieke codes maakt het de ontvanger mogelijk de ene satelliet van de ander te onderscheiden. L1 wordt gemoduleerd (overbrengen van informatie op de draaggolf) door zowel de P- als de C/A-code. L2 wordt gemoduleerd door alleen de P-code (er bestaat een mogelijkheid om L2 te moduleren met de C/A-code in plaats van de P-code). In de beide signalen zit tevens de navigatie-data verwerkt.
De C/A-code
De C/A-code (Coarse/Clear Acquisition code) is, kosteloos, door iedere (civiele) gebruiker, waar ook ter wereld, vrij te benutten. De C/A-code zit, gewoonlijk, alleen op het L1-signaal.
De C/A-code wordt gegenereerd met een frequentie van 1,023 miljoen bits (chips) per seconde en een herhalingsinterval (chipping-rate) van 1023 bits. Dus de code herhaalt zich ongeveer om de milliseconde. De C/A-code wordt ook als hulpmiddel gehanteerd om de lange P-code effectiever te gebruiken. Een typische C/A-code ontvanger is minder complex en daarom normaal gesproken goedkoper dan een P-code ontvanger.
De P-code
De P-code (Precision code) is, in het bijzonder, gereserveerd voor militaire gebruikers, en wordt op beide (L1 en L2) frequenties verzonden. Deze P-code kan, met de W-code, vercijferd worden om de toegang en de navigatie-nauwkeurigheid te beperken voor niet-geautoriseerde gebruikers. De vercijferde P-code wordt Y-code genoemd en is beschermd tegen een vijandelijke imitatie van de P-code (Anti-Spoofing (A-S)).
Bij de P(Y)-code is de 'chipping rate' maar liefst 10,23 miljoen bits per seconde. De P(Y)-code is een 266 dagen lange binaire reeks (ongeveer 235.000.000.000.000 bits = 2,35 x 1014), en iedere satelliet is een uniek week-segment toegekend. Dit week-segment van de P(Y)-code wordt geïnitialiseerd op iedere zaterdag/zondag middernacht.
 Pseudorandom
Beide codes worden 'pseudorandom' (pseudo-willekeurig) genoemd. De willekeurigheid (randomness) is echter schijnbaar. De binaire pulsen zijn precies gegenereerd en daarom totaal voorspelbaar. Modulatietechnieken (bi-phase shift key modulation) maken het de ontvangers mogelijk de 'nullen van de enen' te onderscheiden.
Spread spectrum
De satellieten zenden, met een laag zendvermogen, hun signalen gespreid over een breed frequentiegebied (C/A-code 2,064 MHz, P(Y)-code 20,64 MHz). Voor de P(Y)-code is dit ongeveer gelijk aan de gehele FM-band. Deze techniek maakt een verstoring van het signaal (nog) moeilijker. De twee frequenties zijn weloverwogen gekozen. De ionosfeer beïnvloed de snelheid van het signaal. De ontstane foutmarge is kleiner naarmate de frequentie hoger is. Echter gegeven een bepaald zendvermogen wordt het te ontvangen signaal zwakker naarmate de frequentie hoger is. Een compromis dus. In navolging van het gebruik van deze spread-spectrum techniek in het NAVSTAR GPS zal deze techniek in de toekomst een belangrijke rol gaan spelen in een revolutionair wereldomvattend communicatie-netwerk.
Selective Availibility
Om de nauwkeurigheid van de positiebepaling, de verplaatsingssnelheid en precieze tijdmeting voor niet-geautoriseerde gebruikers te reduceren wordt er een techniek gebruikt die Selective Availibility (SA) wordt genoemd. Deze techniek stopt gecontroleerde fouten in de signalen (manipulatie atoomklokken en fouten in de baangegevens ter bepaling van de positie van de satellieten).
Het Amerikaanse Ministerie van Defensie heeft bepaald dat, in vredestijd, er een mogelijke onnauwkeurigheid in de positiebepaling van 100 meter (twee-dimensionaal, 156 meter drie-dimensionaal) in het signaal verwerkt kan zijn. Dit gedurende 95% van de tijd. Gedurende 99,9% van de resterende tijd (5%) is de onnauwkeurigheid 300 meter of minder. Deze onnauwkeurigheid kan, maar is niet waarschijnlijk, indien (crisis-) situaties dit vereisen, verhoogd worden tot boven de 1000 meter. De SA is voor de SPS de meest dominante foutbron. Geautoriseerde gebruikers van de PPS kunnen de effecten van SA geheel teniet doen.
Sinds begin 1992 is deze SA permanent ingeschakeld.
De SA is menigmaal een 'hot item' geweest in de politieke discussies over het NAVSTAR GPS. De druk van in het bijzonder professionele civiele gebruikers is hoog. Oorspronkelijk lag de te verkrijgen nauwkeurigheid puur bij het gebruik van de P(Y)-code of de C/A-code. De nauwkeurigheid met het gebruik van de C/A-code werd ingeschat op 100 meter. Testen wezen echter al snel uit dat de nauwkeurigheid verrassend hoger was (20-30 meter). De SA werd een middel om het GPS 'aangepast' beschikbaar te stellen aan het grote publiek.
Aanvankelijk werd de nauwkeurigheid verminderd tot 500 meter, later herzien tot 100 meter. Formeel werd het SA geïmplementeerd op 25 maart 1990 en alleen in de tweede generatie (Block II) satellieten. De Golfoorlog heeft periodes gekend dat, vanwege het geringe aantal beschikbare militaire (P(Y)-code) ontvangers, de SA uitgeschakeld werd.
De navigatie-oplossing
Alle NAVSTAR-satellieten zenden dus hun signalen op dezelfde twee frequenties. Een NAVSTAR GPS ontvanger is in staat de ene satelliet van de ander te onderscheiden vanwege het feit dat iedere satelliet een unieke C/A-code en P-code is toegewezen (Code-Division Multiple Acces). De relevante ontvangers zijn toegerust om deze codes eveneens te genereren. Technieken die de codes in real-time vergelijken maken het mogelijk de reistijd van het signaal te meten. Het voorbeeld:
Satelliet nummer 1 zend zijn unieke C/A-code richting de gebruikers op of nabij de aarde. Deze pulsen bereiken de aarde in ongeveer 1/11 seconde. De NAVSTAR GPS ontvanger genereert een identieke code. Deze code is echter verschoven ten opzichte van de code afkomstig van de satelliet. Om deze code synchroon te laten lopen verschuift de ontvanger automatisch de code. Wanneer de codes samenvallen springt de 'auto-correlation' functie van de waarde 0 naar 1. Men spreekt dan van 'lock-on'.
In deze toestand kan de reistijd (t1 1/11 sec 93.000 bits) van het signaal berekend worden plus of min de tijdfout in de ontvanger (CB Clock Bias Error). Gelukkig is deze tijdfout voor alle satellieten in de constellatie gelijk. Door het meten van de tijdvertragingen van vier of meer satellieten kan met een viertal vergelijkingen met vier onbekenden (Ux , Uy , Uz en CB) de tijdfout rekenkundig geëlimineerd worden. De ontvanger berekend de coördinaten van bijvoorbeeld de eerste satelliet (X1 , Y1 en Z1) aan de hand van de door deze satelliet uitgezonden baangegevens (efemeriden constanten).
 Correctiefactoren
Als de signalen van de NAVSTAR satellieten de ionosfeer (gedeelte van de dampkring gelegen boven circa 70 kilometer hoogte) passeren, worden deze enigszins afgebogen en vertraagd. Een en ander is afhankelijk van de dichtheid van deze ionosfeer die veranderlijk is, met name onder invloed van de zon (zonnestand, seizoen/klimaat, elektromagnetische uitbarstingen (ultraviolet licht) in een globaal voorspelbare elf-jarige zonnevlekcyclus, poollicht en magnetische stormen).
De vertraging is omgekeerd evenredig aan het kwadraat van de frequentie van het signaal. Belangrijker om te begrijpen is, dat hierdoor bij het verwerken van de twee frequenties (L1 en L2) deze vertraging nauwkeurig gecompenseerd kan worden.
De consequentie is dus dat de P(Y)-code ontvangers de vertraging door de ionosfeer bijna geheel kunnen uitfilteren. Bij de meer eenvoudige C/A-code ontvangers kan de door een vertraging in de ionosfeer ontstane tijdfout gereduceerd met een nauwkeurigheid van 50 procent ten opzichte van de niet-gecorrigeerde oplossing. De (propagatie)gegevens hiervoor zitten in het navigatie-bericht. De onderste laag van de dampkring, de troposfeer veroorzaakt eveneens een vertraging van het signaal. Deze tijdvertraging, door met name 'het weer' bepaald, is wat minder nauwkeurig te modelleren.
|
