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 Satelliten1) mit Korrektursignalen und
  4. das GPS Gerät des Benutzers.

Das Prinzip der Ortung mit Hilfe von Satelliten ist einfach: Satelliten senden laufend ihre Position und Uhrzeit als codierte Radiosignale zur Erde. Ein Empfänger berechnet die Entfernung zu allen Satelliten, deren Signale er empfängt und ermittelt daraus seine Position auf der Erde. Dazu wird die Zeit bestimmt, die die Radiowellen vom Satelliten bis zum Empfänger brauchen.  Für seine Arbeit benötigt der Empfänger eine Antenne, eine Quarzuhr, etwas Speicher und einen Prozessor zum Rechnen. Kann ein Empfänger Signale von mindestens vier Satelliten empfangen, ist eine eindeutige Standortbestimmung möglich (s. Abb. 1). Je mehr Satellitensignale empfangen werden, desto zuverlässiger und meist auch genauer wird die Position des Benutzers bestimmt 

Die technische Umsetzung hingegen ist hochkomplex. Alle beteiligten Elemente – die Satelliten, die Atmosphäre, die Erde und die GNSS-Empfänger sind ständig in Bewegung. Es gibt eine Vielzahl an Fehlerquellen, die z.T. täglichen Schwankungen unterliegen. Ein Großteil dieser Fehler wird durch geostationäre Satelliten1), z.B. EGNOS. oder von Bodenstationen aus korrigiert und fließt automatisch in die Standortbestimmung ein.

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.

 

1) Ein geostationärer Satellit umkreist die Erde mit genau der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die Erde sich um sich selbst dreht. Dadurch befindet er sich immer über der gleichen Stelle der Erdoberfläche, ist also von der Erde aus gesehen stationär, wie eine Stecknadel, die man an einen Globus pinnt. Die geostationäre Umlaufbahn (Geostationary Earth Orbit) befindet sich 35.786 km über der Erde, die Satelliten bewegen sich mit einer Bahngeschwindigkeit von 3,075 km/s. Aufgrund dieser Position können die Satellitenantennen fest auf einen bestimmten Punkt ausgerichtet werden und decken immer dasselbe Gebiet auf der Erde ab. Dies bedeutet, dass die Korrektursignale von WAAS (USA) oder EGNOS (Europa) immer empfangen werden und in die Positionsberechnung mit einbezogen werden können.

Genauigkeit

Wer sich fragt: "Wie funktioniert GPS?" ist vor allem an der Positionsgenauigkeit interessiert. Die exakte Positionsbestimmung ist jedoch extrem kompliziert, da, wie bereits erwähnt, alle Elemente in Bewegung sind und sich die aktuellen Gegebenheiten täglich ändern.

Es gibt eine Vielzahl an Fehlerquellen: 

Abb 3: Fehlerquellen bei der Positionsbestimmung mit Hilfe von GNSS.

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.

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

Wolken und Nebel werden von den Signalen durchdrungen, nicht aber Holz, Fels, Ziegel, Beton oder Metall. Dies führt dazu, dass die Satellitensignale an Gebäuden, im Wald und in engen Tälern reflektiert und dasselbe Signal vom Empfänger mehrfach empfangen wird. Dies führt zu Positionsungenauigkeiten, die vom Empfänger nicht mehr aufgelöst werden können. 

Multipath-Effekte können durch die Verwendung von Zweifrequenz-Empfängern 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. In der Praxis wird dieser Fehler bei Empfang von 4+x Signalen zuverlässig berechnet und eliminiert.

 

Transformationsfehler

Dieser Fehler tritt nicht bei der Messung selbst, sondern bei der Auswertung der gemessenen Daten sehr häufig auf und soll deshalb an dieser Stelle ebenfalls erwähnt werden: Die Positionsdaten, die ein GNSS-System ausgibt, sind Geographische Koordinaten im Dezimalgradformat und beziehen sich auf den Referenzellipsoiden WGS84. Um diese Positionsdaten auf einer Karte darzustellen, die sich auf ein anderes Koordinatensystem und einen anderen Referenzellipsoiden beziehen, ist eine Koordinatentransformation erforderlich. Dies ist ein sehr komplizierter Vorgang, der ein hohes Maß an Sachkenntnis erfordert. Auch hieraus ergeben sich sehr schnell Abweichungen, so dass die ermittelte Position von der Position in vielen, insbesondere älteren Landkarten bis zu einigen hundert Metern abweichen kann, da hier der Zeitfaktor nicht mit einbezogen werden kann. 

 

 

Korrekturdienste

Zur Korrektur der meisten der oben genannten Fehler 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 5-15 m 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. Lesen Sie mehr dazu hier

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.

Bildverzeichnis: Abb. 1: © Anner-Grafik 2016, Abb. 2, 3, 4: © magicmaps 2018;

 

 

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