troeszter.net - GPS-Basics

GPS steht für Global Positioning System, was man mit "weltweit verwendbarem Positionsbestimmungs-System" übersetzen könnte. Ursprünglich handelte es sich dabei um ein Navigationssystem, welches rein für militärische Zwecke konzipiert und dessen Möglichkeiten und Ausstattung von militärischen Stellen maßgeblich bestimmt wurde.

TRANSIT, das GPS-Vorgägnersystem wurde bereits 1973 betriebsfertig gemacht und bot eine Genauigkeit von mehreren hundert Metern. Ab etwa 1977 begann man mit der Konzeption eines neuen, genaueren satellitengestützten Navigationssystems, welches ursprünglich NAVSTAR genannt wurde und das in den Jahren 1989/1990 in Betrieb genommen wurde. 1994 war der Abschluß der Aufbauarbeiten erreicht und mit der offiziellen Inbetriebnahme und der Freigabe zur Nutzung im professionellen Bereich wurde dann auch die Bezeichnung GPS eingeführt.

Zur Zeit besteht das Gesamtsystem aus 24 Block-II/IIA Satelliten, von denen 21 aktiv und 3 in Reserve gehalten werden. Insgesamt gibt es sechs Satellitenbahnen, auf denen jeweils vier Satelliten umlaufen. Um eine flächendeckende Versorgung mit Signalen zu erreichen sind die einzelnen Bahnen exakt 55° gegen den Äquator geneigt und in der Äquatorebene 60° gegeneinander versetzt. Die Umlaufzeit pro Satellit beträgt etwa 12 Stunden.

Jeder Satellit sendet Datencodes auf den zwei Frequenzen 1.575,42 MHz und 1.227,60 MHz, wobei eine Frequenz für den C/A-Code und die zweite für den P-Code reserviert ist. C/A-Code bedeutet „Coarse Acquisition", was man grob mit „Grobdatenerfassung" übersetzen könnte und Daten mit nur mäßiger Genauigkeit liefert. Der P-Code - Protected Code - dagegen ist für autorisierte Benutzer gedacht und liefert wesentlich exaktere Daten. Wie man sich unschwer denken kann, ist der C/A-Code für den „normalen" User gedacht, der P-Code für Vermessungstechnik und, wie könnte es auch anders sein, für militärische Zwecke die bessere Wahl.

Bis Mai 2001 wurde übrigens auch noch eine Ungenauigkeit (Selective Availability) mittels Software in das C/A-Signal eingebaut um die Genauigkeit von etwa 3 bis 10 Meter auf etwa 70 bis 100 Meter zu reduzieren. Durch eine geänderte Steuerungssoftware ist es laut US-Verteidigungsministerium aber jetzt möglich den reinen - und für fast alle üblichen Zwecke auch völlig ausreichenden - C/A-Code zur Verfügung zu stellen. Nur in Krisengebieten wird Selective Availability „eingebaut", damit das von den USA entwickelte System nicht von (potentiellen) Gegnern genutzt werden kann.

Das C/A-Signal besitzt eine Dauer von rund 1000 Mikrosekunden, also einer tausendstel Sekunde und beinhaltet etwa 1000 positive und negative Bits mit der Dauer von 1 Mikrosekunde. Wird die Dauer von 1000µs mit der Lichtgeschwindigkeit (300.000km pro Sekunde) multipliziert, ergibt sich eine Codelänge von 300km. Bei 1000µs Dauer kann der C/A-Code in einer Sekunde 1000 Mal gesendet werden. Im selben Zeittakt wird auch im GPS-Empfänger dieser Code erzeugt. Da aber Satellit und GPS-Empfänger ziemlich weit auseinander liegen, trifft der vom Satelliten abgestrahlte Code zeitversetzt beim GPS-Empfänger ein.

Um Position und Entfernungen bestimmen zu können, wird der empfangene Satellitencode mittels Kreuzkorrelation verschoben und mit dem Empfängercode zur Deckung gebracht. Mit diesem Vorgang wird berechnet, um viele Mikrosekunden der Satellitencode verschoben ist. Durch Iteration, bei der von einer angenäherten Position und einer angenäherten Satellitenlaufzeit ausgegangen wird, ist es möglich die Verschiebung des Satellitencodes gegenüber dem Empfängercode auf 1µs oder die Länge von 300 Metern zu berechnen und damit eine Messgenauigkeit von 3 Metern zu erreichen.

In der EU sind Mitte 2002 die Weichen für ein eigenes satellitengestütztes Naviagtionssystem gestellt worden. Galileo, so die Bezeichnung, wird aus insgesamt 30 Satelliten bestehen und frühestens zwischen dem Jahr 2008 und 2010 betriebsbereit sein.

Es soll, so steht es zumindest im Pflichtenheft für die Entwickler, mit GPS kompatibel sein und grundsätzlich eine genauere Positionsbestimmung als das "Konkurenzsystem" GPS ermöglichen. Derzeit sieht es so aus, als sei dieses GALILEO primär nicht für private Nutzer oder Nutzer in non-profit-Bereichen gedacht, sondern hauptsächlich für kommerzielle Kunden in der Transportwirtschaft, zum Schutz von beweglichen Gegenständen (Automobile und LKW-Züge) oder für die kommerzielle Luftfahrt. Mittlerweile ist aber auch fix, dass GALILEO einen kostenlosen Basisdienst anbieten wird, der mit allen GPS-III-kompatiblen Empfangsgeräten nutzbar sein wird. Die Genauigkeit wird wahrscheinlich ähnlich dem GPS C/A-Code bei etwa 3 bis 5 Metern liegen. Wer die kostenpflichtigen "Premium"-Dienste nutzt wird natürlich mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern versorgt. Mit dem kostenlosen Basisdienst bekommen die europäischen Steuerzahler zumindest irgendeinen Gegenwert für die mehr als 3,6 Milliarden Euro, die GALILEO kosten wird und die zu einem überwiegenden Teil aus Steuergeldern bereitgestellt werden. Ob ein Satellitennavigationssystem á la GALILEO für Europa unbedingt notwendig ist und ob es vor allem gegenüber den europäischen Steuerzahlern, die dieses System ja finanzieren werden, vertretbar ist, bleibt dahin gestellt. Auch in Wirtschaftskreisen hat man sich schon Gedanken gemacht, ob nicht eine (Kosten-)Beteiligung an GPS in Verbindung mit einer Benutzungsgarantie ein brauchbarer und vor allem billigerer Weg wäre. Bei Wikipedia gibt es laufend aktualisierte Informationen zu GALILEO: https://de.wikipedia.org/wiki/Galileo_(Satellitennavigation)

GLONASS ist das russische Gegenstück zu GPS. Der Aufbau dieses Systems hat 1982 begonnen, genutzt wurde und wird das System für militärische Zwecke, für die russische Raumfahrt, für die zivile Luftfahrt und für wissenschaftliche Forschung. Die Russische Föderation betreibt GLONASS mit einem ähnlichen Aufwand wie das amerikanische GPS System. GLONASS besteht zur Zeit aus 16 funktionsfähigen Satelliten, bis 2008 sollen es 18 sein und im Vollausbau sollen ab etwa 2010 insgesamt 24 Satelliten präzise Navigationsdaten liefern.

GLONASS und GPS haben einen ähnlichen Entwicklungsverlauf und Entwicklungsstandard, der wesentlichste Unterschied liegt aber bei den Geräten. GLONASS Empfänger sind im Aufbau rein auf professionelle Nutzung ausgelegt, daher umfangreicher und kostenintensiver als GPS-Empfänger. Allerdings hat die russische Regierung beschlossen GLONASS in Zukunft für private Nutzung freizugeben und ähnlich wie bei GALILEO kommerzielle Nutzungspakete anzubieten.

WAAS, EGNOS und MSAS sind die neuesten Entwicklungen um die Genauigkeit von GPS zu verbessern und den Einsatz als primäres Navigationssystem zu ermöglichen. Wide Area Augmentation System (WAAS - frei übersetzt etwa weiträumiges Erweiterungssystem) ist ein System, in dem geostationäre Satelliten dem GPS-Empfänger ein Korrektursignal zur Verfügung stellen. Entwickelt wurde dieses System für die amerikanische Luftfahrtbehörde FAA um hohe Genauigkeit bei Landeanflügen zu erreichen. Das WAAS-Signal ist für zivile Nutzung zugänglich und bietet im Abdeckungsbereich sowohl auf Land wie auf See und in der Luft eine Abdeckung von derzeit etwa 95% und ist damit terrestrischen DGPS-Systemen weit überlegen. WAAS funktioniert ausschließlich am nordamerikanischen Kontinent, weil nur dort die Korrekturdaten der geostationären WAAS-Satelliten empfangen werden können.

Für den Bereich Europa steht mit dem EGNOS-System (European Geostationary Navigation Overlay System) ebenfalls ein leistungsfähiges Korrektursystem zur Verfügung, welches darüberhinaus zu WAAS kompatibel ist und ebenfalls von geostationären Satelliten Korrekturdaten für GPS-Empfänger zur Verfügung stellt. Dazu werden zwei Inmarsat- und ein Artemis-Satellit mit fixen Standorten über Westafrike und dem Westatlantik bzw. über Zentralafrike genutzt. EGNOS läuft im Probebetrieb seit etwa Anfang 2006. Aktuell (Anfang 2007) befindet sich das System im Übergang vom Probebetrieb in den Vollbetrieb mit Zulassung für Safety-of-Live-Anwendungen. Für den Anwender ist in diesem Zusammenhang wichtig, dass fast alle modernen GPS-Empfänger für WAAS/EGNOS ausgelegt sind und automatisch eine Unterscheidung zwischen den jeweiligen Korrektursignalen durchführen können. Bei einigen Geräten ist dazu eventuell ein Firmwareupdate notwendig. Für den Anwender leicht erkennbar ist der Empfang von WAAS/EGNOS-Daten auf der Satelliten-Seite des GPS-Empfängers wenn Satelliten mit Nummern von 33 aufwärts ausgewertet werden, handelt es sich um die Korrekturdaten.

Zu den regionalen, aber untereinander kompatiblen Korrektursystemen gehört auch MSAS (MTSAT based Augmentation System) für den Bereich des Luftraumes über Japan. Betrieben wird der Dienst vom japanischen Transportministerium. MSAS besteht aus zwei Satelliten MTSAT-1R und MTSAT-2, die seit Mitte 2006 für den Vollbetrieb von MSAS sorgen. Die beiden MTSAT-Satelliten werden neben ihrer MSA-Funktion auch noch für meteorologische Dienste genutzt.