Satellitennavigationssysteme

GNNS GPS Positionsbestimmung mittels Satelliten (Foto: European GNSS Agency)

Begriffsdefinition "GPS"

"GPS" hat sich umgangsprachlich als Oberbegriff für Satellitennavigationssystem eingebürgert. Das ist aber falsch. Tatsächlich ist "GPS" die Abkürzung für Global Positioning System (deutsch: Globales Positionsbestimmungssystem). 

Offiziell handelt es sich bei "GPS" um das vom US-Militär betriebene satellitengestützte Navigationssystem NAVSTAR-GPS (Navigational Satellite Timing and Ranging - Global Positioning System) oder kurz GPS. Es hat sich als das wichtigste Ortungsverfahren etabliert, hat aber mittlerweile Konkurrenz bekommen.

Weltweite Entwicklung

"Sputnik 1" war der erste Navigations-Satellit, den Russland (ehem. Sowjetunion) 1957 ins All geschossen hat. Die US-Marine hat 1960 mit dem "Transit" System einen weiteren Meilenstein in der Geschichte gesetzt. Das System diente vorwiegend der US-Navy für den Einsatz von Langstreckenraketen. Das russische System ähnelt in Aufbau und Funktionsweise dem US-amerikanischen NAVSTAR-GPS. Die parallele Entwicklung der beiden gleichwertigen Systeme erfolgte während des Kalten Krieges aus militärstrategischen Gründen.

1980 wurde das Tansit-System vom heutigen Navstar-GPS, eine Weiterentwicklung der US-Marine, abgelöst. Zur gleichen Zeit baute Russland das System GLONASS (Globalnaya Navigatsionnay Sputnikovaya Sistema) aus. Um unabhänging vom amerikanischen System zu sein, folgte China 2003 mit dem Beidou-System (vormals Compass), das 2011 offiziell in Betrieb ging. 

Europa führt mit Galileo das erste, unter ziviler Kontrolle stehende, weltweite Satellitennavigations- und Ortungssystem ein, das der internationalen Zusammenarbeit offen steht und kommerziell betrieben wird. Es ist ein gemeinsames Projekt der Europäischen Union (EU) und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). Dieses unabhängige System bietet einen hochpräzisen, garantierten, weltumspannenden Dienst, der auch in Krisenzeiten einsatzfähig bleibt. Es basiert auf derselben Grundtechnologie wie das US-amerikanische GPS, ist kompatibel und bietet zusammen mit GPS eine wesentlich höhere Genauigkeit sowie erhöhte Ausfallsicherheit. Galileo ermöglicht eine Echtzeitortung mit einer Genauigkeit im Meterbereich, was bisher noch kein öffentlich zugängliches System angeboten hat.

 

Weitere Informationen zum Galileo-System

Global Navigation Satellite System (GNSS)

Global Navigation Satellite System (GNSS) ist der allgemeine Oberbegriff für globale Navigationssatellitensysteme. Davon gibt es weltweit vier Systeme: Neben den USA auch von Russland, China und der EU. Der Nutzer wird künftig in der Lage sein, mit noch zu entwickelnden Empfängern aus den Signalen aller empfangbaren Galileo-, GPS- und GLONASS-Satelliten in jeder beliebigen Kombination seine Position zu bestimmen (Interoperabilität).

  • NAVSTAR GPS der USA seit 1995 in Betrieb
  • GLONASS der Russischen Föderation seit 1993 in Betrieb
  • Galileo der EU voraussichtlich 2020 Vollbetrieb
  • Beidou von China seit 2011 offiziell in Betrieb

Militärische vs. zivile Nutzung

Elektronische Grundlagen

Zur Zeit gibt es folgende Dienstklassen, um mittels Satellitensignalen eine Position bestimmen zu können:

  • Precise Positioning Service (PPS) ist der militärischen Nutzung vorbehalten und auf eine Genauigkeit (engl. accuracy) für das Signal im Raum von 3 m ausgelegt. Diese Signale werden verschlüsselt ausgestrahlt.
  • Standard Positioning Service (SPS) ist für jedermann verfügbar und erreicht eine Genauigkeit von ca. 8 m horizontal (in 95 % der Messungen). Im Mai 2000 wurde eine künstliche Ungenauigkeit vom US-Militär abgeschaltet; davor betrug die Genauigkeit 100 m.

Selective Availability (künstliche Ungenauigkeit)

Der größte Faktor bei der Positionsgenauigkeit des Navstar-GPS besteht seit 2. Mai 2000 5:05 Uhr (MEZ) bis auf weiteres nicht mehr. An diesem Tag wurde die sogenannte "Selective Availability", kurz SA, abgeschaltet. Sie verschleierte die Satellitensignale derart, dass Zivilisten, die nicht über einen speziellen Empfänger verfügten, nur sehr ungenaue Positionsdaten im Bereich von 100 Metern ermitteln konnten.

Grafik: GPS Support Center, Air Force Space Command

Diese Grafik demonstriert die Genauigkeit des Satellitensignals vor und nach der Abschaltung der "Selective Availability". Die vertikale y-Achse weist einen Bereich von 400 Meter aus, auf der horizontalen x-Achse ist die Zeit in Stunden angeführt. Um 4:05 Uhr (UTC-Time) wurde die SA-Funktion abgeschaltet. Daraufhin zeigt das Diagramm einen Kreisfehler von nur 2,8 Metern und einen sphärischen Fehler von 4,6 Metern während der ersten Stunden des SA-freien Betriebs an. Die Daten wurden mit einem Trimble SV6 Empfänger gemessen.

Trotz Wegfall der SA stehen der Zivilbevölkerung weiterhin nur GPS-Signale eingeschränkter Genauigkeit zur Verfügung, und zwar die aus dem sogenannten Standard Positioning System (SPS). Nur die Empfänger des US-Militärs und seiner Verbündeten können die Daten des Precise Positioning System (PPS) auswerten, die Positionsgenauigkeiten bis in den Zentimeterbereich erlauben.

Weiterführende Information: www.gps.gov

Erhöhung der Genauigkeit

Bodengestützte Korrekturdaten

Durch stationäre Empfangsstationen kann die Positionsgenauigkeit verbessert werden. Stationäre Korrektursender übermitteln über Langwelle Korrektursignale (sog. dGPS, Differential Global Positioning System) an die Nutzer und bieten eine Lagegenauigkeit von ca. 1–2 cm und eine Höhengenauigkeit von ca. 2–3 cm. Hochqualitative Systeme (wie bei geodätischen Empfängern zur Landesvermessung üblich) erreichen Genauigkeiten von wenigen Millimetern. 

Die Nutzung der Korrektursignale ist allerdings kostenpflichtig. Dazu kommen zusätzliche Investitionen in Empfangsgeräte. Ein weiterer Nachteil ist die Verschlechterung der Korrekturwerte mit zunehmender Entfernung zu einer Referenzstation (Reichweite 70-200 km). 

Satellitenbasierte Ergänzungssysteme (SBAS)

Neben den regionalen DGPS-Korrekturdaten, die jeweils von einer einzelnen Referenzstation abgeleitet und ausgesendet werden, gibt es auch Korrekturdaten für große Gebiete, die über geostationäre Satelliten verbreitet werden. In Europa heißt dieses satellitengestützte DGPS-System EGNOS, in Amerika WAAS, in Japan MSAS und in Indien GAGAN. Großer Vorteil, sie sind untereinander kompatibel.

SBAS wurde nicht entwickelt, um dem Wanderer oder Biker eine genauere Positionsbestimmung zu ermöglichen. Der eigentliche Hintergrund ist die Flugsicherung, weil GPS-Systeme zum einen nicht genau genug und auch keine zuverlässige und rechtzeitige Benachrichtigung über Fehler oder Ausfälle möglich sind. Flugzeuge sind beim Landeanflug auf ILS-Systeme (Instrument Landing System) angewiesen, die nur mit hohem finanziellen Aufwand auf jedem einzelnen Flughafen installiert werden müssen.

Um Infrastruktur effizient zu verwalten, ist eine akkurate Kartierung unentbehrlich. Landwirte und Förster wollen Grenzen und Geländemerkmale festhalten, Versorgungsunternehmen ihre Infrastruktur. Kommunen benötigen Zugang zu einer umfassenden Geoinventarisierung, von der Parkbank und dem Straßenschild bis hin zur unterirdischen Wasserleitung. 

EGNOS, basiert auf dem europäischen Satellitennavigationssystem Galileo, ist kosteneffizienter und flexibler als herkömmliche Landvermessungsmethoden und bietet eine effiziente und zuverlässige Technologie für Kartierungsanwendungen. Durch die Erhöhung der Genauigkeit bestehender Signale verbessert es die Präzision und Zuverlässigkeit von Echtzeitpositionierung.

Anders als das US-Satellitennavigationssystem Global Positioning System (GPS) ist Galileo ein ziviles System. Es kann in Krisenzeiten nicht einfach abgeschaltet werden. Zudem soll Galileo genauer sein als GPS.

 

Weitere Information zu Galileo

Foto Header: Galileo FOC Satellit, ESA, P. Carril