Wie funktioniert Satellitennavigation?

GNSS (englisch Global Navigation Satellite System) bezeichnet ein System zur Positionsbestimmung und Navigation mit Hilfe von Satelliten.

Häufig wird der Begriff GPS synonym verwendet, damit wird das für das US-Militär entwickelte erste System dieser Art, NavSTAR-GPS bezeichnet, das 1995 offiziell in Betrieb genommen wurde. Seither erobern GPS-Empfänger in Autonavigationssystemen, Smartphones und in vielen anderen mobilen Geräten die Welt.

Seit 2012 ist auch das russische System GLONASS zugänglich, weitere Systeme sind im Aufbau, z.B. das europäische Galileo oder das chinesische Beidou. Neuere Empfänger können bereits zusätzlich zu GPS GLONASS empfangen. Daher wird zunehmend der allgemeinere Begriff GNSS verwendet.

Einsatzbereiche von GNSS-Systemen

Mit der Freigabe von GPS für die Öffentlichkeit im Jahr 1995 wurde das us-militärische NavStar-GPS auch im zivilen Bereich nutzbar.

Seither hat die Satellitennavigation einen Siegeszug durch die ganze Welt angetreten und unser Leben verändert. Heute sind in nahezu jedem Smartphone GPS-Empfänger verbaut. Nicht nur Navigation mit dem Auto wurde dadurch möglich, auch zur Orientierung beim Wandern und Radfahren ist GNSS eine tolle Hilfe. Mittlerweile finden wir uns in fast jeder fremden Stadt gut zurecht und sogenannte Location Based Services helfen uns, ein geeignetes Restaurant, Hotel oder die nächste Bushaltestelle zu finden.

Wie funktioniert GNSS bzw. GPS?

Positionsbestimmung mittels Satellit

An einem GPS System sind vier Elemente beteiligt:

  1. Satelliten im Weltraum,
  2. Bodenstationen als Kontroll-Segment,
  3. geostationäre Satelliten mit Korrektursignalen und
  4. das GPS Gerät des Benutzers.

Jeder Satellit sendet in bestimmten Zeitintervallen Signale mit seiner Position und der exakten Uhrzeit aus. Aus den Signalen von mindestens vier Satelliten kann ein GPS-Empfänger seinen Standort berechnen. Je mehr Satellitensignale empfangen werden, desto genauer wird die Position des Benutzers bestimmt. Das GPS Gerät des Benutzers wertet die Signale der Satelliten aus und berücksichtigt die Korrektursignale von z.B. EGNOS. Dazu benötigt ein Gerät eine Antenne, eine Quarzuhr, etwas Speicher und einen Prozessor zum Rechnen.

GPS-Empfänger sind heutzutage in nahezu jedem Smartphone verbaut. Diese Standardempfänger liefern Standortgenauigkeiten von ca. 5 - 15 m, was für viele gängige Anwendungen, z.B. die Navigation ausreichend ist. Für viele Anforderungen im beruflichen Umfeld werden jedoch zuverlässige Daten im Meter-, Submeter- oder sogar cm-Bereich benötigt. Auch die genaue Erfassung der Höhe ist oft eine wichtige Anforderung. Hier wird es kompliziert, denn die Genauigkeit ist eine sehr empfindliche Größe, die von einer Vielzahl an Faktoren beeinflusst wird.

Genauigkeit

Wer sich fragt: "Wie funktioniert GPS?" ist vor allem an der Positionsgenauigkeit interessiert. Die exakte Positionsbestimmung ist eine hochkomplexe Angelegenheit, da praktisch alle beteiligten Elemente – die Satelliten, die Atmosphäre, die Erde und die GNSS-Empfänger ständig in Bewegung sind.

Es gibt eine Vielzahl an Fehlerquellen: 

Satellitenfehler 

  • Gravitationseffekte (Einfluss auf die hochgenauen Atomuhren, Abweichungen 10-100m)
  • Satellitengeometrie, d.h. Position der Satelliten zueinander (PDOP, Abweichungen 5-10m) 
    Die Satelliten sollten für eine gute Positionsbestimmung gleichmäßig am Himmel verteilt sein. Sind mehrere Satelliten eng beisammen oder stehen sie in einem Tal alle hintereinander, wird die Position sehr ungenau. GPS Geräte geben aber in der Regel an, wie genau die Bestimmung gerade ist.
  • Ephemeridenfehler, Abweichungen 5-10m - Abweichungen zwischen berechneter und tatsächlicher Satellitenlaufbahn

 

Atmosphärische Fehler (Laufzeitfehler in der Tropo- und Ionosphäre, Abweichungen bis zu 150m)

Satellitensignale werden an den einzelnen Schichten der Atmosphäre gebrochen. Diese atmosphärische Refraktion beeinflusst die Geschwindigkeit und Richtung des Signals. Dadurch werden mit die größten Ungenauigkeiten hervorgerufen, da Abweichungen von über hundert Metern möglich sind. Korrekturdienste wie WAAS und EGNOS, die heutzutage praktisch jeder GNSS-Empfänger nutzt, korrigieren diesen Effekt weitgehend.

Noch bessere Positionsgenauigkeiten werden mit atmosphärischen Korrekturdaten oder mit 2-Frequenz-Empfängern erreicht.

 

Signalreflektionen an der Erdoberfläche (Multipath-Effekte, Abweichungen 1-5m)

  • Wolken und Nebel werden von den Signalen problemlos durchdrungen, nicht aber Holz, Fels, Ziegel, Beton oder Metall. Hier hilft es z.B. im Gebäude ans Fenster zu gehen, in die Mitte einer engen Schlucht oder an den Waldrand. In Tunneln oder Tiefgaragen wird in der Regel kein Signal empfangen.
  • Reflektion der Signale an Gebäuden, Waldrand oder Felsen können sehr große Positionsungenauigkeiten hervorrufen. Deshalb in die Mitte einer Lichtung oder einer Straßenschlucht treten
  • Mikrowellensender (Jammer)

Multipath-Effekte können durch Empfänger und das Antennendesign minimiert werden.

 

Empfängerfehler: Uhrenfehler

GPS-Empfänger ermitteln die Entfernung zu allen Satelliten, deren Signale sie empfangen. Dazu wird die Zeit bestimmt, welche die Radiowellen vom Satelliten bis zum Empfänger brauchen. Diese wird mit der Signalausbreitungsgeschwindigkeit multipliziert und ergibt die Entfernung zwischen Sender und Empfänger. Die genaue Messung der Signallaufzeit ist elementar, da ein Zeitmessfehler von nur einer Mikrosekunde (das ist der 1.000.000ste Teil einer Sekunde) einen Entfernungsmessfehler von ~ 300 m zur Folge hat.

 

 

Jedes GNSS-System bezieht sich auf ein bestimmtes Koordinatensystem und einen Referenzellipsoiden. Auch hieraus ergeben sich Abweichungen, da die verwendeten Koordinatensysteme von anderen gängigen Koordinatensystemen abweichen können, so dass die ermittelte Position von der Position in vielen, insbesondere älteren Landkarten bis zu einigen hundert Metern abweichen kann. 

 

 

Korrekturdienste

Zur Korrektur werden Zusatzsysteme, engl. Satellite-Based Augmentation Systems (SBAS), eingesetzt, die Korrektursignale über geostationäre Satelliten abstrahlen, wie z.B. das europäische EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), das US-amerikanische WAAS (Wide Area Augmentation System), das japanische MSAS und das indische GAGAN.  Geostationäre Satelliten, d.h. Satelliten, die ihre Position zur Erde nicht ändern, senden Korrektursignale hinsichtlich Satellitenbahn, Zeitsystem und Atmosphäre ab.

Diese Korrektursignale werden heutzutage von jedem GPS-Empfänger standardmäßig verarbeitet und sind maßgeblich für die durchschnittlich erreichbaren Genauigkeiten von 5-15m verantwortlich.

EGNOS: Geostationäre Satelliten senden Korrektursignale
EGNOS: Geostationäre Satelliten senden Korrektursignale

Zusätzlich können stationäre Referenzdaten herangezogen werden. Diese Systeme werden auch DGPS genannt, Differential Global Positioning System oder, neuer,  als Differential Global Navigation Satellite System (DGNSS) bezeichnet. Von den Landesvermessungsämtern wird das deutsche SAPOS-System betrieben, das eine hohe Positionsgenauigkeit errechnen kann. 

Vor allem die Berechnung genauer Höhenwerte ist extrem schwierig und teuer und kann z.B. bei der Darstellung auf Karten schon deshalb zu Abweichungen führen, weil deren Höhenangaben von den tatsächlichen Werten (Geoid) oft um etliche Meter abweichen.

Grundsätzlich steigt mit höheren Genauigkeitsanforderungen der Preis der Ausrüstung und der Aufwand des Messverfahrens

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