Global Positioning System

GPS Empfangsgeräte von Trimble, Garmin und Leica

Das Global Positioning System (GPS) ist ein satellitengestütztes Navigationssystem zur weltweiten Positionsbestimmung, das vom Verteidigungsministerium der USA betrieben wird. GPS löste das ältere Satellitennavigationssystem Transit der United States Navy ab.

Die offizielle Bezeichnung war zu Beginn NAVSTAR - GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System). Seit einigen Jahren wird das System nur noch als GPS (Global Positioning System) bezeichnet. GPS wurde am 17. Juli 1995 offiziell in Betrieb genommen.

Einsatzbereiche

GPS ist ursprünglich zur Positionsbestimmung und Navigation im militärischen Bereich (in Waffensystemen, Kriegsschiffen, Flugzeugen) usw. vorgesehen. Heute wird es jedoch auch im zivilen Bereich genutzt: in der Seefahrt, Luftfahrt, durch Navigationssysteme im Auto, zur Orientierung im Outdoor-Bereich, im Vermessungswesen etc.

Aufbau und Funktionsweise

GPS basiert auf Satelliten, die ständig Signale ausstrahlen, aus deren Signallaufzeit GPS-Empfänger ihre Position bestimmen können. Theoretisch reichen dazu die Signale aus drei Satelliten, da daraus die genaue Position und Höhe bestimmt werden kann. In der Praxis haben aber die meisten GPS-Empfänger keine Uhr, die genau genug ist, um daraus die Laufzeiten korrekt berechnen zu können. Deshalb wird meist das Signal eines vierten Satelliten benötigt.

Mit den GPS-Signalen lässt sich aber nicht nur die Position, sondern auch die Geschwindigkeit des Empfängers bestimmen. Durch die relative Bewegung des Empfängers zu den Satelliten, ergibt sich durch den Doppler-Effekt eine Verschiebung des Signals und da die Geschwindigkeit der Satelliten bekannt ist, lässt sich die Geschwindigkeit des Empfängers berechnen.

Damit ein GPS-Empfänger immer zu mindestens vier Satelliten Kontakt hat, werden insgesamt 24 Satelliten eingesetzt, die die Erde alle zwölf Stunden in einer Höhe von 20.200 km umkreisen. Jeweils vier Satelliten bewegen sich dabei auf einer Bahn, die 55° gegen die Äquatorebene geneigt ist.

Die Signale werden auf zwei Frequenzen ausgesendet. Mit der so genannten L1-Frequenz (1575,42 MHz) wird der C/A-Code („Coarse/Acquisition“) für die zivile Nutzung, der verschlüsselte P/Y-Code („Precision/encrypted“) für die militärische Nutzung und eine Navigationsnachricht übertragen. Die 1500 bit lange Navigationsnachricht enthält alle wichtigen Informationen zum Satelliten (Datum, Identifikationsnummer, Korrekturen, Bahnen aber auch den Zustand) und benötigt zur Übertragung ungefähr eine halbe Minute. GPS-Empfänger speichern diese Daten normalerweise zwischen. Zur Initialisierung der Geräte wird des Weiteren auch der sogenannte „Almanach“ übertragen, der alle Bahnen der Satelliten enthält und zur Übertragung über zwölf Minuten benötigt. Die zweite Frequenz (L2-Frequenz; 1227,60 MHz) überträgt nur den P/Y-Code. Durch die doppelte Übertragung können atmosphärische Effekte, die zur Erhöhung der Laufzeit führen herausgerechnet werden.

Der gesendete C/A-Code ist nichts anderes als eine pseudozufällige, 1023 bit lange Kette aus Einsen und Nullen, die bei jedem Satelliten eindeutig ist. Da die Bits keine Informationen tragen, werden sie in diesem Fall häufig als „chips“ bezeichnet. Durch dieses „pseudozufällige Rauschen“ (PRN; „pseudorandom noise“) sind die Signale weniger anfällig gegenüber Interferenzen und alle Satelliten können auf der gleichen Frequenz senden.

In den verwendeten Frequenzbereichen breitet sich die elektromagnetische Strahlung ähnlich wie sichtbares Licht aus. Für den besten Empfang der Signale ist also eine direkte Sichtverbindung erforderlich. Der GPS-Empfang wird dabei durch das Wetter nur wenig beeinflusst, ist jedoch in Gebäuden, Tunneln, Tiefgaragen etc. nicht möglich. Auch zwischen hohen Gebäuden kann es durch mehrfach reflektierte Signale zu Ungenauigkeiten kommen.

Für die zentrale Kontrolle des GPS ist das Space Warfare Center des Air Force Space Command (AFSPC) der US Air Force auf der Schriever AFB, Colorado zuständig.

Geschichte

Der erste GPS-Satellit wurde 1978 gestartet. Im Dezember 1993 wurde die anfängliche Funktionsbereitschaft (Initial Operational Capability) festgestellt. Zu diesem Zeitpunkt waren 24 Satelliten im Einsatz. Die volle Funktionsbereitschaft (Full Operational Capability) wurde im April 1995 bekanntgegeben.

Um nicht-autorisierte Nutzer (militärische Gegner) von einer genauen Positionsbestimmung auszuschließen, wurde die Genauigkeit für Nutzer, die nicht über einen Schlüssel verfügen, künstlich verschlechtert (Selective Availability = SA, mit einem Fehler von größer 100 m).

Am 1. Mai 2000 wurde diese künstliche Ungenauigkeit abgeschaltet, so dass das System seitdem auch außerhalb des bisherigen exklusiven Anwendungsbereichs zur präzisen Positionsbestimmung genutzt werden kann. Dies führte unter anderem zum Aufschwung der Navigationssysteme in Fahrzeugen und im Außenbereich, da die Messgenauigkeit nun in mindestens 90 % der Messungen besser als 10 m ist.

Genauigkeit der Positionsbestimmung

Es gibt die folgenden zwei Dienstklassen:

SPS (Standard Positioning Service) ist für jedermann verfügbar und ist auf eine Genauigkeit von 100 m (in 95% der Messungen) ausgelegt worden.

PPS (Precise Positioning Service) ist der militärischen Nutzung vorbehalten und ist ursprünglich auf eine Genauigkeit von 22 m (in 95% der Messungen, die aktuelle Genauigkeit ist unbekannt) ausgelegt worden. Diese Signale werden verschlüsselt ausgestrahlt.

Eine Erhöhung der Genauigkeit (0,5 - 5 m) kann durch Einsatz von Differential GPS (DGPS) erreicht werden.

Mit der dritten Ausbaustufe soll die bisherige globale künstliche Verschlechterung lokal z. B. in Krisen- bzw. Kriegsgebieten einschaltbar sein.

Des Weiteren sind einige satellitengestützte Erweiterungssysteme (Satellite-Based Augmentation Systems, SBAS) zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit geplant, EGNOS in Europa und WAAS in den USA.

GPS nutzt eine eigene kontinuierliche Atomzeitskala, welche keine Schaltsekunden berücksichtigt. Seit Einführung von GPS im Jahr 1980 hat sich deshalb die Differenz zwischen der GPS-Zeit und der UTC bis Ende 2003 auf 13 Sekunden aufsummiert. Der aktuelle Wert dieser Differenz wird im Nutzdatensignal des Systems übertragen.

Es gibt die folgenden zwei Verfahren, um mittels GPS eine Position zu bestimmen:

Code: Dieses Verfahren ermöglicht eine recht robuste Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit von <10 m. Alle preiswerten Empfänger nutzen dieses Verfahren. Mittels DGPS sind Genauigkeiten unter einem Meter möglich.

Code+Trägerphase: Unter guten Empfangsbedingungen und mit präzisen Empfängern ist mit diesem Verfahren eine Genauigkeit im mm-Bereich möglich. Es ist nur im DGPS-Betrieb möglich.

In Fahrzeugen können zusätzlich Odometrie-Daten, wie Gewschwindigkeit und Beschleunigung, genutzt werden, um die Position präziser zu bestimmen, oder auch noch in Funklöchern, wie Tunnels, eine Position ermitteln zu können.

DGPS

Differential Global Positioning System (DGPS) ist eine Bezeichnung für Verfahren, die mehrere GPS-Empfänger zur Erhöhung der Genauigkeit verwenden. Bei dem Verfahren gibt es einen Empfänger, dessen Position bestimmt werden soll (Rover) (deutsche Bezeichnung ist unbekannt) und mindestens einen weiteren Empfänger, dessen Position bekannt ist (GPS-Basisstation). Eine Basistation kann diverse Informationen über die Ursachen ermitteln, warum die mittels GPS bestimmte Position fehlerhaft ist, da deren Position bekannt ist. Mit diesen Informationen (Korrekturdaten) von einer Basistation kann ein Rover seine Genauigkeit erhöhen. Die erreichbare Genauigkeit ist u.a. vom Abstand zwischen Rover und Basistation abhängig.

Methoden des DGPS:

Bei dem einfachsten Verfahren übermittet die Basistation ihren Positionsfehler an den Rover. Dieser korrigiert entsprechend seine Position. Dies funktioniert nur, wenn beide Empfänger die gleichen Satelliten auswerten (Dies ist nur über kurze Distanz und in gleicher Umgebung der Fall).

Bei der Methode der Pseudorange-Korrektur berechnet die Basistation die Fehler der Strecken zu den Satelliten und übermittelt diese an den Rover. So ist auch eine Korrektur möglich, wenn von der Basistation und dem Rover unterschiedliche Satelliten empfangen werden. Es sind Genauigkeiten <1 m möglich.

Bei den sehr genauen Phasenmessungen wird folgendes Verfahren angewendet:(?). Auf diese Weise ist eine Genauigkeit von ± 1 bis ± 10 mm pro km Abstand zur Basistation zu erreichen.

Die Übermittlung der Korrekturdaten von einer Basistation zum Rover kann mittels Funk erfolgen. Ein Rover ist dann sofort in der Lage, seine Genauigkeit zu erhöhen. Auch im nachhinein kann eine Korrektur erfolgen, wenn Rover und Basistation alle Daten zur Positionsbestimmung aufzeichnen (Postprocessing).

Die Korrekturdaten können von einem Anwender selbst erzeugt werden (mittels eines zweiten GPS-Empfängers) oder von div. Anbietern bezogen werden (Alf, Amds, Sapos, Ascos usw.).

Störsender

Für das GPS-System existieren sog. GPS-Jammer (Jammer = engl. für Störsender).

Alternativen

Transit: Der Vorgänger des GPS von den USA. Sendefrequenz: 150-400 MHz - Entwickelt ab 1958; in Betrieb seit 1964; zivile Nutzung ab 1967; seit 2002 außer Betrieb

GLONASS: russische Pendant zum GPS

Euteltracs: Europäisches Positionssystem für Fernverkehr (sehr ungenau). Es sendet mit einer Frequenz von 10-14 GHz. Ist seit 1991 in Betrieb.

Galileo: Die ESA wurde von der EU beauftragt, von der Industrie ein europäisches System zur Satellitennavigation mit dem Namen Galileo entwickeln zu lassen. Die Entwicklungs- und Testphase wurde im Dezember 2004 in einem 4-Jahresvertrag an die Industrie vergeben. Der ursprüngliche Zeitplan sah wie folgt aus: (bis 2005 Entwicklungs- und Testphase, Aufbau des Satellitennetzes ab 2006, Inbetriebnahme ab 2008 - Stand Juli 2004), da es für zivile Anwender bislang keine Alternativen zum US-amerikanischen GPS gibt und die zivile Nutzung davon abhängt, welche Genauigkeit das US-Militär bereitstellt.

: Es wird mindestens vier Dienste (OS, CS, SoL, PRS) geben. Die zivile und kostenlose Positionsbestimmung (OS) wird eine Genauigkeit von 5-8 m bereitstellen. Beim SoL-Dienst wird zusätzlich noch Integrität, also die rechtzeitige Warnung des Nutzers, wenn der Positionierungsfehler größer als eine vorgegeben Schranke (12 m horizontal, 20 m vertikal) ist, bereitgestellt. Der PRS-Dienst wird die Bedürfnisse staatlicher Organisationen befriedigen. Im CS-Dienst können noch zusätzlich Informationen mit geringer Datenrate an Abonenten übertragen werden.

MTSAS: (Multifunction Transport Satellite System) ist die Entwicklung Japans. Es sendet mit einer Frequenz von 1,2 GHz. - noch in der Experimentierphase (Stand 2003)

Beidou: in China (Satellite Positioning System) Frequenz: 1,4 GHz - Seit 2004 in Betrieb, allerdings beschränkt sich die Nutzung auf den asiatischen Bereich

siehe auch

Geocaching

Literatur

Jörg Roth: Mobile Computing, dpunkt, 2002, ISBN 3898641651

Weblinks