| Abbildung 2.5: | Entfernung der GPS-Satellitenbahn (grüne Linie) zur Erde [Wik08] |
GPS ist ein weltweit verfügbares Satellitennavigationssystem, das ursprünglich nur für das Militär entwickelt wurde. Es kann die aktuelle Position eines Objektes im 3D-Raum (Position auf der Ebene und die Höhe) bestimmen. Dabei spielt es keine Rolle ob das zu bestimmende Objekt still steht oder in Bewegung ist. Es ergeben sich eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten des Systems. Im militärischen Bereich dient es zum Beispiel zur präzisen Steuerung von Raketen. Im zivilen Bereich zur Navigation von Schiffen, Flugzeugen, Kraftfahrzeugen, Zügen oder als Orientierungshilfe für Fahrradfahrer und Wanderer. Es kommt sogar im Vermessungswesen und in der Bautechnik zum Einsatz. Das System ist auf eine unbegrenzte Anzahl von (gleichzeitigen) Benutzern ausgelegt. Es ist kostenlos und darf von jedem benutzt werden.
Ursprünglich wurde es 1973 vom amerikanischen Verteidigungsministerium (Department of Defense [DOD]) in Auftrag gegeben. Die Positionsbestimmung sollte sehr genau und eindeutig sein. Zusätzlich sollte eine exakte Zeitinformation zum Abruf bereit stehen und die Geschwindigkeit bewegter Objekte bestimmt werden können. Wichtig war auch, dass die Informationen fortlaufend zur Verfügung standen, damit eine Navigation in Echtzeit möglich ist. Das System sollte zu jeder Zeit und an jedem Ort der Erde funktionieren, auch in der Luft. Es sollte gegenüber Störungen unanfällig sein, damit unter anderem verschiedene Wetterverhältnisse keine negativen Auswirkungen auf die Qualität des Dienstes haben. Für die erstmalige Bestimmung der Position sollten nicht mehr als einige Minuten vergehen, danach weniger als 30 Sekunden.
Da für die Übermittlung der Positionsdaten eine große Bandbreite von einigen MHz nötig ist und diese erst in Frequenzbereichen über 1000 MHz realisierbar ist entschied man sich für das L-Band das sich von 1 bis 2 GHz erstreckt. Die genauen Sendefrequenzen der Satelliten liegen beim Träger L1 bei 1575,42 MHz und beim Träger L2 bei 1227,60 MHz. Für dieses Frequenzband sind zudem Antennen erhältlich, die aufgrund ihren Abmessungen günstig erhältlich sind. Bei höheren Frequenzen steigt die Dämpfung bei der Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen in der Atmosphäre. Bei dieser sogenannten atmosphärischen Dämpfung handelt es sich um Absorptionen durch Niederschlagspartikel und die Resonanzabsorption.
Da das Satellitensystem weltweit verfügbar sein sollte entschied man sich für eine Anzahl von 24 Satelliten, die in 20 230 km Höhe auf zum Äquator geneigten Bahnen die Erde umkreisen. Siehe auch Abbildung 2.5. Aufgrund der großen Entfernung der Satelliten zum Empfänger ist das empfangene Signal recht schwach und störanfällig. Deshalb wird eine codierten Impulsfolge verwendet, die als störsichere Signalform gilt.
Das System wurde Navigation System with Time and Ranging (NAVSTAR) genannt. Die erste Ausbaustufe mit vier Satelliten wurde 1978 erprobt und 1980 in Betrieb genommen. Unter dem Namen Global Positioning System (GPS) wurde es vorerst nur teilweise zur zivilen Verwendung freigegeben. Erst 1992 war der Ausbau des Systems vollendet. Ab diesem Zeitpunkt war dann eine vollständige Nutzung möglich.
Allerdings stand die volle Genauigkeit des Systems nur bestimmten Nutzern zur Verfügung, hauptsächlich aus dem militärischen Bereich. Für andere Benutzer konnte die Genauigkeit beliebig reduziert werden (Selective Availability [SA]). SA war lange aktiviert, was die Genauigkeit um den Faktor 5 reduzierte. Am 2. Mai 2000 wurde SA abgeschaltet.
Zur Ortung eines Objekts wird die Entfernung zu drei Satelliten gemessen. Bei jeder Messung erhält man die Oberfläche einer Kugel. Werden diese drei Kugeloberflächen miteinander geschnitten ergibt sich die gesuchte Position.
Die Koordinaten der Satelliten sind dabei bekannt. Die Messung der Entfernungen erfolgt durch die Bestimmung der Laufzeit der impulsförmigen Signalen (Impulsverfahren). Als Voraussetzung müssen die Uhrzeiten des Senders und Empfängers übereinstimmen. Da in der Praxis jedoch die Uhrzeiten vom Satelliten und Empfänger voneinander abweichen sind die gemessen Entfernungen verfälscht und werden deshalb Pseudoentfernungen genannt. Dieses Problem wird gelöst indem ein vierter Satellit zur Positionsbestimmung hinzugezogen wird. Die Zeitdifferenz der beiden Uhren lässt sich damit berechnen. Für höhere Genauigkeiten wird das CW-Verfahren verwendet, das für die Entfernungsbestimmung die Phasenwinkel der ausgestrahlten Trägerwelle verwendet. Allerdings führen Mehrdeutigkeiten bei den Ergebnissen zu einer Verlängerung des Messvorgangs.
Das System besitzt drei unterschiedliche Segmente. Es wird unterschieden zwischen Raum-, Kontroll- (Bodensegment) und Nutzersegment.
Das Raumsegment bezeichnet alle Satelliten im Weltall, die ausschließlich dem GPS-System dienen. Block I waren die ersten Satelliten, Block II sind neuere Modelle. Die Stabilität der Satellitenuhrzeit wurde verbessert, Selective Availibility (SA) und Antispoofing (AS) eingeführt. Bei AS handelt es sich um eine Maßnahme gegen Verfälschung der GPS-Daten. Dabei wird der sogenannte P-Code verschlüsselt, er heisst dann P(Y)-Code. Dieser steht nur einer eingeschränkten Benutzergruppe zur Verfügung.
Block IIA enthält 15 Satelliten, die untereinander kommunizieren können. Sie können dadurch zum Beispiel ihre Bahndaten verbessern. Block IIR-Satelliten sind unabhängiger vom Kontrollsegment auf der Erde als ältere Satelliten.
Satellitenverbindungen unter einem Erhebungswinkel (mask angle) von 5° oder 10° werden in der Praxis nicht benutzt, da diese oft zu Messfehlern führen. Dies liegt an der Brechung der Welle und daran, dass zwischen Satellit und Empfänger immer eine Sichtverbindung bestehen muss. Ein einziger Satellit kann dann noch 30,0 % der Erdoberfläche mit dem GPS-Signal abdecken.
Das Kontrollsegment besitzt eine Hauptkontrollstation, 5 Monitorstationen und 3 Bodensendestationen. Die Monitorstationen beobachten die Satellitenbahnen, die Hauptkontrollstation berechnet die neuen Daten für die Navigationsmitteilung und die Bodensendestation überträgt diese Daten an die einzelnen Satelliten.
Das Nutzersegment besteht aus den Personen, die einen GPS-Empfänger besitzen.
Es wird zwischen dem Standard-Ortungsservice (Standard Positioning Service [SPS]), der jedem zur Verfügung steht und dem Präzision-Ortungsservice (Precise Positioning Service [PPS]), der nur bestimmten Personen zur Verfügung steht, unterschieden. Die Codes heissen entsprechend C/A-Code bzw. P(Y)-Code. [Man04]
Ein GPS-Empfänger kann einen oder mehrere Kanäle haben. Die Mehrkanalempfänger können gleichzeitig die Signale von verschiedenen Satelliten empfangen. Für eine Positionsbestimmung im 3D-Raum sind mindestens 4 Satelliten erforderlich. Es gibt Empfänger mit bis zu 24 Kanälen. Allerdings können gleichzeitig nie so viele Satelliten empfangen werden, weil der Sichtbarkeitsbereich eines Satelliten auf der Erde eingeschränkt ist. Ein Einkanalempfänger braucht deutlich länger um die aktuelle Position zu bestimmen. Er muss in bestimmten Zeitabständen zwischen mindestens vier Satelliten umschalten. Deswegen braucht er mindestens vier Mal so lange wie ein Mehrkanalempfänger bis die Navigationsmitteilung vorliegt.
Wenn der Empfänger außer dem L1-Träger auch noch den L2-Träger empfangen kann ist es möglich die durch ionosphärische Einflüsse entstandene Laufzeitverzögerungen zu eliminieren. Da der L2-Träger bisher nur bestimmten Benutzern zur Verfügung steht kann dieses Verfahren im zivilen Bereich nicht angewendet werden. [Man04]
Ich verwende für die Positionsbestimmung mit dem Eee PC eine Haicom HI-204III GPS-Maus.
Es handelt sich um einen 20-Kanal Mehrkanal GPS-Empfänger. Er benutzt die SiRF StarIII-Technologie, die als besonders genau gilt. Dabei wird nur der L1-Träger mit 1575,42 MHz verwendet. Der Empfänger kann eine maximale Höhe von 18 000 Metern erfassen. Der Erhebungswinkel ist auf 5° voreingestellt.
Davor verwendete ich einen Garmin GPS 12-Empfänger. Er hat 12 Kanäle und eine serielle Schnittstelle. Durch Verwendung eines seriell→USB Adapters konnte er an den Eee PC angeschlossen werden. Der Zugriff auf die NMEA-Daten funktionierte damit ohne Probleme über den cat /dev/ttyUSB0 Befehl. Mit der GPS-Maus gab es damit Probleme, durch die lokale Verwendung des gpsd-Programms konnten diese behoben werden.
Sichtbarkeit bedeutet, dass zwischen dem Satellit und dem Empfänger eine Sichtverbindung besteht. Elektromagnetische Hindernisse, die Erdkrümmung und die Abschattung durch die Bedeckung der Erdoberfläche können den Empfang des Signals verhindern. Verfügbarkeit bedeutet, dass mindestens vier Satelliten sichtbar sind und das GPS-Signal empfangen werden kann. Damit beim Verschwinden eines Satelliten aus dem Sichtbarkeitsbereich keine Unterbrechung bei der Positionsbestimmung entsteht müssen mindestens fünf Satelliten empfangbar sein. Dabei kann auch die günstigste geometrische Konstellation ausgewählt werden. Für die Integritätsprüfung werden ebenfalls mindestens fünf Satelliten benötigt. Da momentan bis zu 31 GPS-Satelliten eingesetzt werden wird diese Bedingung auch meistens erfüllt. Es können oftmals sogar mehr als acht Satelliten gleichzeitig empfangen werden. Voraussetzung dafür ist die freie Sicht zum Himmel. Diese ist nicht überall gegeben, in den Bergen können die Signale unterbrochen werden, in tiefen Schluchten kann der Empfang ebenfalls stark eingeschränkt sein. Vorallem Satelliten mit einem kleinen Erhebungswinkel sind dann kaum zu empfangen. Ein bestimmter Satellit ist ungefähr fünf bis sechs Stunden an einem festen Punkt der Erde sichtbar. Die Fehler bei der Messung werden begrenzt und durch den DOP-Faktor angegeben. Er berechnet sich aus den geometrischen Verhältnissen zwischen den verwendeten Satelliten und dem Empfänger. Dieser Faktor kann vom Benutzer frei bestimmt werden. Je höher er ist desto grösser wird die Verfügbarkeit von GPS. Allerdings nimmt dabei gleichzeitig die Genauigkeit der Standortbestimmung ab. Ein gebräuchlicher Wert ist ein PDOP-Faktor von 6. Die Verfügbarkeit kann auch durch den Ausfall oder die gezielte Abschaltung von bestimmten Satelliten sinken. Falls die Monitorstationen eine große Abweichung von der gewünschten Genauigkeit eines Satelliten registrieren kann eine zeitweilige Abschaltung notwendig werden. Durch technische Störungen fallen Satelliten teilweise komplett aus. Deshalb werden auch mehr Satelliten als die notwendige Mindestanzahl von 24 eingesetzt. [Man04]
Das System soll in Zukunft noch weiter verbessert werden. Bis 2015 sind verschiedene Maßnahmen geplant. Dabei geht es um die Erhöhung der Sendeleistungen der Satelliten und um Verbesserungen im Bereich des Bodensegments. Es werden neue Satellitenblöcke in Betrieb genommen. Bereits in Betrieb genommen wurden Block IIR- und Block IIR-M-Satelliten. Es sollen Block IIF- und Block III-Satelliten folgen. Die 3. Generation der Satelliten lösen dann ab 2014 das Block II-System ab.
Bei der Mordernisierung soll die zivile Nutzung berücksichtigt werden. Sie hat in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen. Bei der Einführung des GPS-Systems war die militärische Nutzung von grösserer Bedeutung.
Das Fehlen einer zweiten Trägerfrequenz ist der bisherige Hauptnachteil im zivilen Bereich. Der C/A-Code ist nicht besonders genau und zuverlässig und soll verbessert werden. Zwei neue Trägefrequenzen L2 und L5 werden in Zukunft bereitgestellt. Dadurch soll sich die Positionsgenauigkeit auf einen Fehler von etwa 5 m beziehungsweise mit L5 auf 0,5 m verbessern.
14 neue Monitorstationen sollen die Überwachung der Satelliten erweitern. [Man04]
Mit DGPS soll die Genauigkeit von GPS erhöht werden. Dazu baut man eine Verbindung mit einer Referenzstation auf. Sie kennt ihre genaue Position und besitzt einen GPS-Empfänger. Die Station kann dann durch Bildung der Differenz von gemessener Position und wahrer Position Messfehler erkennen. Sie berechnet daraus Korrekturdaten, die übermittelt und zur Optimierung der eigenen Position verwendet werden. Die Genauigkeit der übermittelten Daten hängt von der Exaktheit der geodätisch bestimmten Position der Referenzstation ab. Systembedingte Fehlerursachen, ausbreitungsbedingte Fehler und Fehler der Bahndaten können damit vermieden werden.
Bei GPS gibt es die zwei Messgrößen Code-Phase und Träger-Phase. DGPS verwendet die Code-Phase und ermittelt eindeudige Pseudoentfernungen, die Positionsangaben haben einen Fehler im Meterbereich. Unter Verwendung der Träger-Phase sinkt der Fehler in den Zentimeterbereich. Bei dieser Form der Messung ergeben sich hier dafür Mehrdeutigkeiten, die beseitigt werden müssen. Das Verfahren wurde stark verbessert, es werden Einfach-, Zweifach- und Dreifachdifferenzen gebildet. Es können nun auch bewegte Objekte mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Das nennt sich Real Time Kinematic (RTK).
Je weiter die Referenzstation vom Empfänger entfernt ist, desto ungenauer werden die Korrekturdaten. Deshalb wird zwischen lokal verwendbaren DGPS (Local Area Differential-GPS [LADGPS]) und grossflächig benutzbaren DGPS (Wide Area Differential-GPS [WADGPS]) differenziert. Oftmals wird nur ein eingeschränktes Gebiet mit GPS genutzt, so dass eine einzige Referenzstation dafür ausreicht. Eine weltweite Abdeckung mit Referenzstationen ist nicht notwendig.
Für DGPS müssen die Referenzstation und der Empfänger beide die selben Satelliten zur Pseudoentfernungsmessung verwenden. Da dies aber nicht möglich ist, sendet die Referenzstation keine direkten Korrekturdaten für die Position sondern nur für die Pseudoentfernungen. Der Empfänger kann dann jeweils die Korrekturdaten der Satelliten auswählen die er gerade auch empfängt.
Zur Anwendung von DGPS kommt es zum Beispiel im Vermessungswesen, Verkehr und in der Wirtschaft. Im Vermessungswesen wird die Träger-Phasenmessung bevorzugt, da hier die Genauigkeit besonders wichtig ist. [Man04]
Das Satellitennavigationssystem ist im Verkehrswesen am weitesten verbreitet. Im Vermessungswesen ist die hohe Genauigkeit von großem Nutzen, die das System mittlerweile erreicht hat.
In der Luftfahrt werden noch Funkortungssysteme benutzt, da GPS immernoch zu ungenau und teilweise nicht ausreichend verfügbar ist. Außerdem fehlt eine Funktion zur Fehlererkennung (Integritätsinformation). Die Genauigkeit bei der Bestimmung der aktuellen Höhe ist nur etwa halb so groß wie bei der Bestimmung der 2D-Position auf dem Boden. Beim Flugverkehr spielt die Höhe aber eine wichtige Rolle. Mit DGPS steigt zwar die Genauigkeit deutlich, allerdings sind dafür Referenzstationen notwendig und diese liefern keine Integritätsinformationen.
In der Seefahrt dagegen kommt GPS bereits zum Einsatz. Auf hoher See reicht die Genauigkeit von GPS aus. In Binnengewässern und Kanälen muss allerdings DGPS verwendet werden, da es hier auf wenige Meter ankommt. Dafür müssen wie beim Flugverkehr Referenzstationen zur Verfügung stehen. Zur Verbesserung der Positionsbestimmung und der Verfügbarkeit unterstützen manche Empfänger zusätzlich noch das GLONASS-Navigationssystem (Global Navigation Satellite System).
Im Straßenverkehr wurden früher keine Navigationssysteme eingesetzt. Es wurden gedruckte Straßenkarten verwendet. In den letzten Jahren wurde das GPS-System aber zunehmend beliebter. Es kommen immer mehr mobile Geräte auf den Markt, die für wenig Geld unterschiedliche Aufgaben erledigen können. Da sie nicht fest im Auto eingebaut sind kann man sie zum Beispiel auch beim Wandern oder Fahrradfahren verwenden. Die Einsatzmöglichkeiten sind sehr vielfältig. So ist eine moderne Version der Schnitzeljagd, dem sogenannten geocaching, entstanden bei dem Leute einen kleinen Schatz verstecken und deren GPS-Koordinaten ins Internet stellen (http://www.geocaching.de/). Die Verwendung von GPS zur Navigation im Auto hat einige Vorteile. Es spart Zeit und Benzin wenn man den direkten Weg zum Ziel fährt. Die Umwelt profitiert davon ebenfalls. Viele Empfänger bieten mit dem Traffic Message Channel-System (TMC) die Möglichkeit einen aktuellen Verkehrsstau zu umfahren. Dieser Dienst ist kostenlos und wird über verschiedene Radio-Sender ausgestrahlt. Für die Straßennavigation werden aktuelle Karten vom befahrenen Gebiet benötigt. Da ständig neue Straßen gebaut werden veraltet das Kartenmaterial nach kurzer Zeit. Die mobilen Geräte bieten auch viele Zusatzfunktionen, die oftmals aber gar nicht benötigt werden. Im Schienenverkehr bringt GPS ebenfalls viele Vorteile. Durch die Bestimmung der Position aller Züge wird die Sicherheit erhöht und der Verkehrsablauf kann deutlich verbessert werden. GPS wird auch in Verkehrsleitsystemen verwendet. Siehe auch Abbildung 2.13. Busse und Bahnen bestimmen ihre Position mit DGPS und senden sie an eine Verkehrsleitzentrale. An Haltestellen werden aktuelle Informationen zu Verspätungen empfangen und angezeigt.
Im Vermessungwesen ersetzt GPS das bisher verwendete Satellitensystem TRANSIT. Dadurch wird weniger Personal benötigt und die Messungen können in kürzerer Zeit durchgeführt werden. Es wird DGPS verwendet, da es wesentlich genauer ist als das normale GPS. Damit können auch Land- und Seekarten erstellt werden. Der Meeresboden wird mit Ultraschallsensoren abgetastet und die aktuelle Position mit DGPS bestimmt. [Man04]
