Navigation durch die L1-, L2- und L5-Bandoptionen für GNSS

Standortdaten schaffen erheblichen Mehrwert – und nicht nur im Immobilienbereich. Ob Asset-Tracking, Turn-by-Turn-Navigation oder Fitness-Tracking: Die Fähigkeit, Personen, Orte oder Objekte präzise zu lokalisieren, ist heute ein wesentlicher Bestandteil der meisten Verbraucher- und Unternehmensanwendungen.

Satelliten sind eine der zentralen Technologien zur Bereitstellung ortsbasierter Dienste (Location-Based Services, LBS). Daher wird erwartet, dass die weltweiten Liefermengen von GNSS-Geräten im kommenden Jahrzehnt weiter steigen und bis 2033 mehr als 2,2 Milliarden Einheiten erreichen. Darüber hinaus sollen laut dem EUSPA-Bericht 2024 (European Union Agency for the Space Programme) GNSS-gestützte Dienste bis dahin über 80 % der gesamten GNSS-Umsätze generieren.

Bei der Entwicklung einer GNSS-basierten Lösung müssen Geräte-OEMs, IoT-Dienstleister und Systemdesigner sorgfältig abwägen, wie sich die Wahl von Frequenzbändern und Konstellationen direkt auf Genauigkeit, Stabilität und Verfügbarkeit auswirkt.

Die Auswahl an Konstellationen hat sich im vergangenen Jahrzehnt deutlich erweitert. Neben dem US-amerikanischen GPS und dem russischen GLONASS sind Chinas BeiDou und das europäische GALILEO-System hinzugekommen. Zwei regionale Systeme wurden 2018 vollständig in Betrieb genommen: Japans Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) und Indiens IRNSS/NavIC.

Jede Konstellation sendet mehrere Signale, die jeweils auf eigenen Frequenzen arbeiten. Dieses Design maximiert die Genauigkeit, da Empfänger zwei Frequenzen nutzen können, um ionosphärische Fehler zu minimieren. Zudem erhöht die Nutzung mehrerer Frequenzen die Wahrscheinlichkeit der Signalverfügbarkeit. Einige Systeme verwenden eine zweite oder dritte Frequenz zur Bereitstellung von Korrekturdaten zur Genauigkeitssteigerung.

GPS

Nahezu jeder zivile (Consumer- und Enterprise-)Empfänger unterstützt das GPS-L1-Signal bei 1575,74 MHz, das den Coarse/Acquisition-Code (C/A) sowie den verschlüsselten Precision-Code (P(Y)) umfasst, der nur autorisierten Nutzern zugänglich ist. Zukünftig wird L1 durch L1C für zivile Nutzer und L1M für militärische Anwendungen ergänzt.

Das GPS-L2P(Y)-Signal bei 1227,6 MHz wird seit Langem für militärische Präzisionsanwendungen eingesetzt. Zivile Nutzer können es „codeless“ verwenden, indem zunächst das L1-Signal empfangen wird und anschließend Teile des L2-Signals zur Genauigkeitsverbesserung genutzt werden. Im Rahmen der GPS-Modernisierung wurden zwei zusätzliche L2-Signale eingeführt: L2C, ein stärkeres, robusteres Signal für anspruchsvolle Umgebungen wie urbane Straßenschluchten, das auch ohne vorherigen L1-Empfang genutzt werden kann, sowie L2M, das autorisierten Nutzern vorbehalten ist.

Das GPS-L5-Signal bei 1176,45 MHz wurde für die Flugsicherheit entwickelt. Es ist das modernste zivile Signal von GPS, da es schneller, leistungsstärker und weniger störanfällig ist. L5 ist derzeit auf mehr als der Hälfte der 31 operativen GPS-Satelliten verfügbar.

GLONASS

Das primäre GLONASS-Signal (G1) liegt nahe L1 bei 1602 MHz. Es unterscheidet sich von anderen Systemen, da es FDMA statt CDMA verwendet, was die Genauigkeit potenziell beeinträchtigt. Dennoch wird es seit Jahrzehnten erfolgreich in zivilen Anwendungen eingesetzt.

GLONASS L2 (G2) befindet sich bei 1246 MHz und nutzt ebenfalls FDMA. Künftige Satelliten sollen zusätzlich das L3-Signal bei 1201 MHz senden, nahe GALILEO E5b.

BeiDou

BeiDou B1 liegt nahe L1 bei 1561,098 MHz. Ein weiteres Signal ist bei 1589,742 MHz geplant. Moderne BeiDou-Satelliten senden zudem ein Signal bei 1575,42 MHz, das nahezu identisch mit GPS L1C ist.

Für den Dualfrequenzbetrieb nutzt BeiDou B2 bei 1207,14 MHz. Ähnlich wie bei modernisiertem GPS L2 ist ein schmalbandiges Signal frei verfügbar, während ein breitbandiges Hochpräzisionssignal autorisierten Nutzern vorbehalten ist.

BeiDou verfügt außerdem über ein drittes Signal, B3, bei 1268,52 MHz, verfügbar sowohl offen als auch autorisiert.

GALILEO

GALILEO sendet das E1-Signal bei 1575,42 MHz – derselben Frequenz wie GPS L1. E1 ist auf Koexistenz mit benachbarten Signalen ausgelegt und ähnelt GPS L1C stark.

Obwohl GALILEO ein rein ziviles System ist, bietet es mit dem Public Regulated Service (PRS) geschützte Signale für autorisierte Nutzer, unter anderem bei E1 und E6.

Das E5-Signal ist in E5a und E5b unterteilt (je 20,46 MHz breit). E5a liegt bei 1176 MHz (ko-lokalisiert mit GPS L5), E5b bei 1207 MHz. Beide können separat oder kombiniert genutzt werden und bieten höhere Genauigkeit und Verfügbarkeit.

E6 bei 1278,75 MHz (ähnlich QZSS L6) überträgt Korrekturdaten für hochpräzise Anwendungen wie Precise Point Positioning (PPP) und bietet höhere Datenraten.

IRNSS/NavIC

IRNSS sendet zwei Signale: eines bei 1176,75 MHz (nahe GPS L5) und ein weiteres bei 2492,028 MHz im S-Band – derzeit einzigartig unter GNSS-Systemen. Beide Signale können unabhängig oder kombiniert mit L1-Signalen anderer Systeme für Dualfrequenzbetrieb genutzt werden.

QZSS

QZSS verfügt über vier Signale: drei nahezu identisch mit GPS (L1, L2, L5) sowie ein neues L6-Signal bei 1278,75 MHz (ko-lokalisiert mit E6). L6 (auch LEX genannt) ermöglicht die schnelle Verteilung neuer Datentypen und wird aktuell zur Bereitstellung kostenloser PPP-Korrekturdaten genutzt.

Typische Empfängerkonfigurationen

Frühere Dualband-Empfänger unterstützten lediglich GPS und GLONASS L1. Heute gilt dies als Mindeststandard. Moderne „Single-Band“-Empfänger unterstützen typischerweise GPS L1, GLONASS L1 und BeiDou B1, häufig auch GALILEO E1.

Echte Multiband-Empfänger integrieren mindestens eine weitere deutlich unterschiedliche Frequenz außerhalb des L1/B1/E1-Bereichs.

Industrie/Kommerziell

• GPS L1C/A, L1C, L2C
• GLONASS L1, L2OF
• BDS B1 (optional B2)
• GALILEO E1, E5b

Consumer/Kommerziell

• GPS L1C/A, L1C, L5
• GLONASS L1
• BDS B1
• GALILEO E5a

Consumer/Kommerziell (Indien)

• GPS L1C/A, L1C
• GLONASS L1
• BDS B1
• GALILEO E5a
• NAVIC/IRNSS L1C, L5

Hochpräzision/Referenz

• GPS L1C/A, L1C, L2P(Y) (codeless), L2C
• GLONASS L1, L2
• BDS B1, B2, B3
• GALILEO E1, E5, E6
• QZSS L1C, L6
• NAVIC/IRNSS L1C, L5

All diese Optionen verdeutlichen die Komplexität moderner GNSS-Integration. Daher benötigen Geräte-OEMs, IoT-Dienstleister und Systemdesigner häufig einen erfahrenen Partner.

OEMs benötigen oftmals zusätzliche interne RF-Expertise zur nahtlosen Integration geeigneter Module und Antennen. Die Zusammenarbeit mit einem Antennenhersteller, der Design- und Optimierungsunterstützung bietet, kann die Markteinführungszeit signifikant verkürzen.

Taoglas bietet umfassende Designunterstützung und ermöglicht durch Tests hochpräziser GNSS-Antennen in schalltoten Kammern und unter freiem Himmel Positionsgenauigkeiten bis in den Zentimeterbereich. Diese Engineering-Services simulieren reale Feldbedingungen, verbessern die Produktleistung erheblich und minimieren Designrisiken.