GPS-Signale erkennen
- Es gibt nur etwa 30 GPS-Satelliten, um die gesamte Erde zu versorgen. Das ist ein ähnliches Design wie beim weltweiten DNS-System, das von 13 Root-Servern ausgeht.
- GPS-Signale sind immer um uns herum vorhanden, unabhängig von Höhe oder Wetter. Wenn man die Sprache der elektromagnetischen Wellen versteht, die unseren Körper durchdringen, kann man jederzeit und überall den genauen Standort bestimmen.
- GPS ist eines der kühnsten Geoengineering-Projekte, die die Menschheit je versucht hat. Mit einer Antenne und genügend Entschlossenheit kann man seine Spuren wahrnehmen.
Schwache GPS-Signale
- Die Signalstärke, die von GPS-Satelliten ausgesendet wird, liegt etwa auf dem Niveau einer Haushaltsglühbirne, wird aber beim Eintreffen am Boden extrem schwach.
- Es ist, als würde man aus 20.000 km Entfernung das Licht einer Glühbirne sehen, die eine Million Mal pro Sekunde blinkt. Doch selbst dieses schwache Blinken lässt sich erkennen, entschlüsseln, verstehen und sinnvoll nutzen.
- GPS-Signale sind so schwach, dass es schwierig wäre, Gebühren für den GPS-Dienst zu erheben. Aus Sicht des Satelliten sendet er das Signal einfach nur aus.
GPS-Signale abhören
- GPS wird über elektromagnetische Wellen übertragen, also im Grunde wie Radio. Die Frequenz ist dabei ein entscheidender Faktor.
- Um GPS-Signale zu empfangen, braucht man ein auf die GPS-Frequenz abgestimmtes Software-defined Radio (SDR).
- Wenn man das SDR einrichtet und bias tee, AGC, IQ-Korrektur usw. anpasst, kann man das Spektrum untersuchen.
Schwache Signale herausfiltern
- Das am Boden ankommende GPS-Signal ist 100.000-mal schwächer als das Umgebungsrauschen. Das heißt, es liegt mehr als 50 dB unter dem thermischen Rauschen.
- Dennoch kann GPS mithilfe von Signalverarbeitungsverfahren das Signal selbst im Rauschen identifizieren und decodieren.
- GPS verwendet einen C/A-Code, den sowohl Satellit als auch Empfänger kennen. Der Satellit sendet ihn 1000-mal pro Sekunde wiederholt aus.
- Der Empfänger akkumuliert das empfangene Signal fortlaufend und vergleicht es mit dem erwarteten C/A-Signal. Das Rauschen mittelt sich gegen 0 heraus, während das C/A-Signal immer stärker wird.
- Das nennt man Despreading bzw. Entspreizung, und für den Einsatz mit mehreren Satelliten wird Code Division Multiple Access verwendet.
- Auf dem C/A-Code werden die eigentlichen Daten übertragen. C/A wird mit 1 Million Bit pro Sekunde übertragen, die Daten mit 50 Bit pro Sekunde.
C/A-Code erzeugen
- Jeder GPS-Satellit hat einen eigenen C/A-Code. Er ist in der zivilen GPS-Spezifikation definiert.
- Es gibt online viele Erklärungen zur Erzeugung von C/A-Codes, aber wenig echten Code, daher wird hier selbst erstellter Code geteilt.
GPS-Satellitensignale erkennen
- Der Empfänger erzeugt Kopien der C/A-Codes aller 32 Satelliten und korreliert sie mit den über die Antenne empfangenen Daten.
- Das empfangene Signal weist Verzerrungen wie Doppler-Verschiebung und Phasenunterschiede auf.
- Der Empfänger muss für jeden Satelliten den C/A-Code, den erwarteten Bereich der Doppler-Verschiebung, Phasenunterschiede usw. berücksichtigen.
- Der Rechenaufwand in der Erkennungsphase ist hoch. Deshalb wurde viel an Optimierung geforscht.
- Die Korrelation wird im Frequenzbereich durchgeführt, um Phasenunterschiede und Doppler-Verschiebung gleichzeitig zu behandeln.
- Mit binärer Suche wird die Doppler-Verschiebung mit der stärksten Korrelation gefunden.
Meinung von GN⁺
- GPS ist eine beeindruckende Technologie, aber im Kern eine ausgefeilte Kombination bestehender Technologien. Keine völlig neuartige Erfindung.
- GPS-Empfang war auch mit dedizierter Hardware möglich, aber dass er nun auch in Software möglich ist, ist ein großer Fortschritt. Es scheint wahrscheinlich, dass sich der Trend fortsetzt, Hardware-Funktionen zunehmend durch Software zu ersetzen.
- Dass GPS-Signale schwach sind, kann der Sicherheit zugutekommen. Vorsätzliche Störung oder Spoofing werden dadurch schwieriger.
- GPS begann als Militärtechnologie, aber nachdem es für zivile Nutzung geöffnet wurde, explodierte die Zahl der Anwendungsbereiche. Technologien offenzulegen und zu teilen beschleunigt Innovation.
- Frühe GPS-Empfänger waren groß und teuer, heute stecken sie in jedem Smartphone. Das zeigt, wie Technologien reifen, sich verbreiten, günstiger werden und miniaturisieren.
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Moderne Direct-RF-Sampling-Empfänger arbeiten schnell genug, um GPS-Signale zu verarbeiten, und Produkte wie Xilinx RFSoC oder NI FlexRIO kommen auf den Markt. Allerdings sind sie noch recht teuer.
GPS wurde 1978 eingeführt, und inzwischen lebt mehr als die Hälfte der Bevölkerung, ohne die Zeit vor GPS überhaupt zu kennen. Bis 2000 war die Genauigkeit durch die Funktion Selective Availability absichtlich verringert, sodass es im Alltag kein besonders großer Nutzen war.
Dass gypsum bei einem Cold Start in weniger als einer Minute eine Position bestimmen kann, ist besser als bei heutigen kommerziellen Empfängern. Frühe kommerzielle Empfänger brauchten 15–20 Minuten, um eine Position zu erfassen.
Früher wurden GPS-Empfänger, die Navigation bei Geschwindigkeiten über 600 mph ermöglichten, unter ITAR als Rüstungsgüter eingestuft. Heute sind die Vorschriften komplizierter, sodass unklar ist, ob das noch gilt.
Wenn man während eines Flugs mit dem iPhone Fotos macht, werden nach der Landung Positionsdaten in den Bildern gespeichert, sodass man später interessante Geländeformen nachschlagen kann.
GPS funktioniert auch im Flugmodus und ohne Mobilfunk oder WLAN. Da es von den USA betrieben wird und bei Bedarf der Dienst in bestimmten Regionen abgeschaltet werden kann, entwickeln viele Länder eigene Satellitennavigationssysteme.
GPS-Satelliten senden keine Positionsdaten, sondern nur Zeitinformationen. Interessant ist, dass auch die Himmelsnavigation auf präziser Zeitmessung beruht.
Auf YouTube gibt es das Buch "GPS Declassified", das die Entwicklung von GPS spannend schildert, sowie die Dokumentation "The Lonely Halls Meeting", in der die Entwickler interviewt werden.