Multiband-GNSS: Warum L1 + L5 wichtig ist und was es von der Antenne verlangt

Zwei Jahrzehnte lang bedeutete Positionsbestimmung im Massenmarkt ein einziges Signal: GPS L1. Heute verfolgen kostengünstige Empfänger-Chipsätze zwei oder sogar drei Frequenzen über vier Konstellationen hinweg, und eine Genauigkeit im Meterbereich oder besser hält Einzug in Asset-Tracker, Drohnen, Landmaschinen und Lieferroboter. Die Antenne wird jedoch oft noch so ausgewählt, als hätte sich nichts geändert – und eine Einband-Antenne an einem Dualband-Empfänger verschenkt den Vorteil stillschweigend.

Die Signale

Alle vier globalen Konstellationen senden heute offene zivile Signale in zwei Hauptbereichen des L-Bands: einem oberen Band um 1560–1610 MHz und einem unteren Band um 1165–1300 MHz.

Beachten Sie, dass 1575.42 MHz und 1176.45 MHz jeweils von GPS, Galileo und BeiDou gemeinsam genutzt werden. Deshalb ist L1 + L5 zur Standardkombination für neue Dualband-Designs geworden: Zwei Frequenzen erschließen die modernen Signale von drei Konstellationen zugleich. L2 bleibt für die Vermessung und für vorhandene professionelle Ausrüstung wichtig.

Vorteile der zweiten Frequenz

• Ionosphärenkorrektur. Die Ionosphäre verzögert GNSS-Signale um einen frequenzabhängigen Betrag (proportional zu 1/f²), und dies ist bei einem Einfrequenz-Empfänger typischerweise der größte Einzelfehler. Wird derselbe Satellit auf zwei Frequenzen gemessen, kann der Empfänger die Verzögerung erster Ordnung berechnen und entfernen, statt sich auf ein ausgestrahltes Modell zu verlassen.
• Bessere Unempfindlichkeit gegen Mehrwegeausbreitung. L5 und E5a verwenden eine Chiprate von 10.23 Mcps – das Zehnfache des L1-C/A-Codes. Die schärfere Korrelationsspitze macht es wesentlich einfacher, das direkte Signal von Reflexionen an Gebäuden zu trennen, dem vorherrschenden Problem in Städten.
• Ein stärkeres, geschütztes Signal. L5 wird mit höherer Leistung gesendet als L1 C/A und liegt in einem Band, das für die Flugfunknavigation reserviert ist, was zusätzlichen Schutz vor Störungen bietet.
• Schnellere, zuverlässigere hochpräzise Positionslösungen. Bei RTK und PPP verkürzen Zweifrequenzmessungen die Zeit zur Auflösung der Trägerphasen-Mehrdeutigkeiten drastisch und machen die Lösung über längere Basislinien robuster.

Anforderungen an die Antenne

Das obere und das untere Band liegen etwa 400 MHz auseinander. Ein herkömmlicher Keramik-Patch für L1 mit einem Speisepunkt hat eine nutzbare Bandbreite von nur einigen zehn MHz und spricht bei 1176 MHz daher schlicht nicht an. Eine Multiband-GNSS-Antenne benötigt eine andere Strahlerstruktur – typischerweise gestapelte Patches, einen Breitband-Patch mit mehreren Speisepunkten oder ein Helixelement – sowie eine sorgfältig ausgelegte aktive Stufe. Achten Sie beim Vergleich von Multiband-Antennen auf Folgendes.

• Gewinn in jedem Band, nicht nur bei L1. Prüfen Sie den Zenitgewinn (in dBic), der für das untere und das obere Band getrennt angegeben ist; es ist normal, dass das untere Band etwas schwächer ist, aber es muss spezifiziert sein.
• Polarisation und Achsenverhältnis. GNSS-Signale sind rechtsdrehend zirkular polarisiert (RHCP). Eine Reflexion kehrt die Polarisation in linksdrehend um, sodass eine Antenne mit guter zirkularer Polarisation – also einem niedrigen Achsenverhältnis – reflektierte Signale konstruktionsbedingt unterdrückt. Diese Mehrwegeunterdrückung sollte in beiden Bändern gegeben sein.
• LNA-Rauschzahl und -Verstärkung. Bei einer aktiven Antenne bestimmt der erste Verstärker weitgehend die Rauschzahl der gesamten Empfangskette; niedriger ist also besser. Die LNA-Verstärkung (üblicherweise 25–30 dB) muss ausreichen, um die Verluste Ihrer Kabelstrecke auszugleichen, ohne den Empfängereingang zu übersteuern.
• Filterung und Außerband-Unterdrückung. Sitzt die Antenne neben einem Mobilfunkmodem, können starke LTE-Aussendungen den GNSS-LNA desensibilisieren; so fällt beispielsweise die zweite Harmonische des Uplinks von LTE Band 13 (777–787 MHz) auf 1554–1574 MHz, direkt neben L1. Eine gute Vorfilterung vor dem LNA sorgt dafür, dass ein Tracker weiterarbeitet, während er sendet.
• Stabilität des Phasenzentrums. Für Arbeiten auf RTK-Niveau sollte der Punkt, von dem aus die Antenne scheinbar empfängt, über Elevation, Azimut und Frequenz stabil bleiben. Für Tracking im Meterbereich ist dies deutlich weniger wichtig.
• Massefläche und Montage. Patch-Antennen werden auf eine bestimmte Massefläche abgestimmt; Magnet- oder Schraubmontage auf einer Metallfläche verbessert in der Regel den Gewinn in Richtung Himmel und verringert die Aufnahme von Reflexionen von unten. Sorgen Sie für freie Sicht der Antenne zum Himmel, abseits anderer Sendeantennen.

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Wofür Sie sich auch entscheiden: Antenne und Empfänger müssen zusammenpassen – ein Multiband-Empfänger an einer reinen L1-Antenne verhält sich wie ein reiner L1-Empfänger.

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