Arbeitsprinzip und Entwicklungen

Die Standortbestimmung sowie die Navigation durch Satelliten erfolgen derzeit fast ausschließlich auf der Basis des US-amerikanischen NAVSTAR-GPS, das heute nur noch als GPS (Global Positioning System) bezeichnet wird.

Die Standortbestimmung durch GPS erfolgt nach demselben Prinzip der Standortbestimmung eines Punktes in der Ebene bei bekannter Position zweier Fixpunkte und ebenfalls bekannter Entfernung zu diesen beiden Fixpunkten. An einem unbekannten Standort auf der Erde werden ermittelt:

  • die Koordinaten von Satelliten in einem kartesischen Koordinatensystem
    (Übermittlung der jeweiligen Positionen von den Satelliten, Aussenden von Signalen und Empfang durch GPS-Geräte auf der Erde)
  • die Entfernungen zu den Satelliten
    (Ermittlung der Übertragungsdauer der Satellitensignale und Rückschluss auf die Entfernung)
  • die Koordinaten des Empfängers in einem kartesischen Koordinatensystem
    (genau das Koordinatensystem, in dem die Positionen der Satelliten vorliegen)
  • die Koordinaten des Empfängers in einem Koordinatensystem einer Landesvermessung
    (Referenzieren auf Koordinaten, die z.B. in Topographischen Kartenwerken üblich sind).


NAVSTAR-GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging-Global Positioning System) ist ein satellitengestütztes Navigationssystem, das vom US-Militär entwickelt, betrieben und kontrolliert wird, um die sofortige Positionsbestimmung eines beliebigen Objektes auf der Erdoberfläche zu ermöglichen.

  • 1973 wurde die Entwicklung des Satellitennavigationssystems von der U.S. Air Force und der U.S. Navy beschlossen.
  • 1977 erfolgte der Start des ersten GPS-Satelliten.
  • 1993 erfolgte die vollständige Inbetriebnahme, nachdem 24 Satelliten im Orbit waren.
  • 2004 erfolgte der Start des fünfzigsten GPS-Satelliten.


Neben dem US-amerikanischen GPS wird vom russischen Verteidigungsministerium das Satellitennavigationssystem GLONASS betrieben (Global’naya Navigatsioannaya Sputnikovaya Sistema, engl. Global Navigation Satellite System), das mit dem NAVSTAR-GPS vergleichbar ist. Ende der 60er Jahre begann die Entwicklung von GLONASS. Im Oktober 1982 wurden die ersten drei Testsatelliten in ihre Umlaufbahn gebracht.

GLONASS wird u.a. in den Bereichen Umweltmonitoring, Geodäsie und Kartographie sowie im Management und der Sicherheit des Luft- und Schiffsverkehrs eingesetzt. Allerdings sind die meisten NAVSTAR-GPS-Empfänger nicht in der Lage, die Signale von GLONASS zu verarbeiten.

GALILEO stellt als gemeinsame Initiative der EU und der ESA das europäische Gegenstück zu GPS dar. Das unter europäischer und unter ziviler Kontrolle stehende Satellitennavigationssystem GALILEO soll zu GPS und GLONASS interoperabel sein. (European GNSS Agency - GALILEO)

Galileo soll Ende 2013 einsatzbereit sein.

GPS Segmente

Weltraumsegment


    
Das Weltraumsegment besteht aus mindestens 24 Satelliten auf 6 Umlaufbahnen (4 Satelliten pro Bahn), welche in einer Höhe von etwa 20.000 km alle 12 Stunden die Erde umkreisen. Allerdings sind stets mehr Satelliten im Orbit, da neben Reservesatelliten neue Satelliten gestartet werden, um alte zu ersetzen.

Die Bahnen sind mit 55 Grad gegen die Äquatorebene geneigt. Durch diese Konstellation sind für jeden Punkt der Erde zwischen fünf und 8 Satelliten gleichzeitig sichtbar, d.h. über dem Horizont hoch genug sichtbar.

Von den Satelliten werden neben der Uhrzeit und Informationen zum Status des Satelliten ständig die jeweiligen Orbitaldaten übermittelt, aus denen sich die (x,y,z)-Koordinaten der Position des Satelliten in einem dreidimensionalen Koordinatensystem berechnen lassen, in dessen Zentrum der Mittelpunkt der Erde liegt.



Kontrollsegment



Karte nach gps.gov

Das Kontrollsegment besteht aus dem US Space Command in Colorado Springs, aus sechs Kontrollstationen der Airforce jeweils in Colorado Springs, Cape Canaveral auf Hawaii, Kwajalein im Südpazifik, Diego Garcia im Indischen Ozean und Ascension im Südatlantik sowie vier Bodenantennen in Cape Canaveral auf Ascension, Diego Garcia und Kwajalein. Von den Bodenstationen werden die Satelliten beobachtet und kontrolliert. Gegebenenfalls werden von den Bodenstationen über die Bodenantennen die Bahnen der Satelliten korrigiert bzw. Updates der Informationsdaten des Satelliten durchgeführt.



Benutzersegment

Die Gesamtheit der GPS-Empfänger und deren Nutzer bilden das sog. Benutzersegment.



Je nach Anwendungsgebiet bestehen GPS-Geräte mit unterschiedlichen Funktionen und Eigenschaften. Neben hochpräzisen Geräten im Vermessungswesen, die auf Stativen aufgebaut oder in einem Rucksack getragen werden, sind handliche, robuste Geräte für den Freizeitbereich verfügbar.


Distanzbestimmung

Die Positionsbestimmung erfolgt durch die Bestimmung der Entfernung zu mehreren Fixpunkten. Die Rolle der Fixpunkte übernehmen beim GPS die Satelliten, deren Position an den Empfänger auf der Erde übermittelt wird. Aus der Laufzeit des Signals wird die Distanz zwischen Satellit und Empfänger errechnet.

Die Laufzeitberechnung erfolgt über einen speziellen Ansatz. Die Trägerfrequenz, die im Satelliten erzeugt wird, wird synchron in gleicher Weise auch im Empfänger auf der Erde generiert. Die vom Empfänger aufgenommenen (und wegen der Dopplerverschiebung korrigierten) Signale des Satelliten weisen gegenüber den im Empfänger erzeugten Signalen eine Zeitverschiebung auf. Durch Vergleich beider Signale kann das Empfangsgerät die Laufzeit errechnen.



Durch Multiplikation des Zeitunterschieds mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts wird die Distanz vom Empfänger zum Satelliten bestimmt. Diese Distanz wird Pseudoentfernung genannt, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals streng genommen nicht mit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum gleichzusetzen ist.

Die Berechnung des Zeitunterschieds ist allerdings mit einem Fehler behaftet. Die Empfänger mit Ihren Quarzuhren besitzen gegenüber den Atomuhren der Satelliten Fehler in der Zeitmessung. Somit gilt für die Entfernungsbestimmung des Empfängers zu einem Satelliten die Gleichung:

\(\Large R=(\Delta T+\Delta t) \cdot c\)

\(\Large \Delta T\) Zeitdifferenz

\(\Large \Delta t\) Fehler der Empfängeruhr gegenüber der Satellitenuhr

\(\Large c\) Lichtgeschwindigkeit

\(\Large R\) (Range) Distanz Empfänger zu Satellit

Insgesamt liegen dem GPS vier Unbekannte zugrunde, die drei Koordinaten der unbekannten Position und der Zeitfehler.

Satellitensignale

Die Übermittlung der Satelliteninformationen an den GPS-Empfänger erfolgt entsprechend dem in der Radiotechnik üblichen Prinzip. Auf eine Trägerwelle wird durch Phasenmodulation ein regelmäßiges Signal aufgesetzt. Im Empfänger kann bei bekannter Modulation das Signal entschlüsselt werden.



Das GPS sendet Informationen auf zwei Trägerwellen. Für die zivile, freie und kostenlose Nutzung steht bisher nur die sog. L1-Trägerwelle (1575,42 MHz) zur Verfügung. Für militärische Nutzungen ist daneben die L2-Trägerwelle (1227,60 MHz) verfügbar.
Das GPS verwendet zur Modulation mehrere Codes.
  • Der C/A-Code (C/A = Coarse Access, grobe Aufnahme) moduliert nur die L1-Trägerwelle. Diese allgemein zugängliche Codierung kann jedermann entschlüsseln und nutzen, so dass die GPS-Signale allgemein verfügbar sind.
  • Der P-Code (P = Precise) moduliert sowohl die L1 wie auch die L2 Trägerwelle und ermöglicht eine besonders genaue Ortung. Seine Entschlüsselung erfordert eine Autorisierung durch die US-Militärbehörden.
  • Der D-Code (D = Data) überträgt die Navigationsnachrichten (die neuesten Satellitenbahndaten, Daten über die atmosphärischen Bedingungen, Informationen über Fehler der Satellitenuhr und den allgemeinen Zustand des Satelliten).


Die Übermittlung der Satelliteninformationen an den GPS-Empfänger erfolgt entsprechend dem in der Radiotechnik üblichen Prinzip. Auf eine Trägerwelle wird durch Phasenmodulation ein regelmäßiges Signal aufgesetzt. Im Empfänger kann bei bekannter Modulation das Signal entschlüsselt werden.


Bis zum 1. Mai 2000 wurde die Genauigkeit mit Absicht vom US-Verteidigungsministerium heruntergesetzt (sog. Selective Availability SA). So wurde die Navigationsnachricht der Satelliten durch Schwankungen im Signal verstümmelt. Dabei waren diese Manipulationen unregelmäßig angelegt und konnten daher nicht korrigiert werden. Insbesondere veränderten sich diese Verfälschungen nach wenigen Stunden, so dass Korrekturen auf der Basis des sog. Differential GPS zeitnah erfolgen mussten.

Die Navigationsgenauigkeit lag damals beim Standard-GPS (d.h. zivile Nutzung, kein Differential GPS) bei etwa 100m. Inzwischen kann beim Standard-GPS eine Genauigkeit von bis zu fünf Meter erreicht werden (u.a. abhängig von der Satellitenkonfiguration). Allerdings kann jederzeit wie z.B. in internationalen Krisen vom US-Militär die Selective Availability wieder eingeschaltet werden.

Fehlereinflüsse

Neben unspezifischen Fehlerquellen wie z.B. allgemeinen Hard- und Softwarefehlern bestehen systembedingte Fehlereinflüsse:

  • Fehler der Satellitenuhren, die nicht von den Kontrollstationen korrigiert werden
    (Größenordnung des Fehlers 1m)

  • Schwankungen der Satellitenbahnen
    (Größenordnung des Fehlers 1m)

  • Troposphärische Laufzeitverlängerungen
    (Größenordnung des Fehlers 1m)

  • Ionosphärische Laufzeitverlängerungen
    (Größenordnung des Fehlers bis zu 10m)

  • Laufzeitverlängerungen durch Reflexion der Satellitensignale an Oberflächen oder Gebäuden in der Nähe des Empfängers
    (Größenordnung des Fehlers 0,5m)

Der Anwender kann davon ausgehen, dass diese Probleme zum Teil durch das Auswerteprogramm des Satellitenempfängers gelöst werden (u.a. Korrekturen der Ausbreitung der Wellen in der Iono- und Troposphäre).
  1. DGPS-Differential GPS