Hochgenaue Ortsbestimmung mit GPS/DGPS

Gliederung

1. Einleitung

2. GPS
2.1. Definition
2.2. Aufbau des NAVSTAR-GPS
2.3. Funktionsweise
2.3.1. Grundmodell
2.3.2. Technische Umsetzung
2.4. Anwendung
2.4.1. Anwendung im militärischen Bereich
2.4.2. Anwendung im zivilen Bereich

3.GLONASS

4. DGPS
4.1. Definition
4.2. Funktionsweise
4.3. Anwendung

5. Praktische Vorführung eines portablen GPS-Empfängers

6. Ausblicke

Literaturverzeichnis

1. Einleitung

Das Problem ist der Navigation ist beinahe so alt wie die Menschheit. War an Land die Orientierung schon schwierig genug, standen anfangs in der Seefahrt am Tag nur die Sonne und in der Nacht Mond und Sterne zur Verfügung. Durch einfache Winkelmessungen mit dem sogenannten Jakobsstab, der in der Antike bereits bekannt war, und mit Hilfe von Karten konnte der eigene Standpunkt ermittelt werden. Später kam der Sextant und andere aus heutiger Sicht einfache Hilfsmittel dazu.

Das Problem aber war, daß damit nur Schönwetternavigation betrieben werden konnte. Bei Bewölkung und Nebel versagten diese Verfahren. Dem konnte erst im 20. Jahrhundert mit der Entwicklung der Funktechnik abgeholfen werden. Ein Netz von Peilsendern überzieht deshalb heute den Erdball und gewährleistet mit Hilfe der an Bord von Schiffen und Flugzeugen installierten Empfangssysteme, die mit Rechnern gekoppelt sind, die Ermittlung von Längen- und Breitengrad.

Mit Beginn des Satellitenzeitalters Ende der fünfziger Jahre ergab sich die Möglichkeit, Funkfeuer in der Erdumlaufbahn zu schaffen. Bereits Anfang der sechziger Jahre begann die US-Marine, solche Systeme zu erproben. Der erste einsatzfähige Navigationssatellit war Transit 1B, dessen Start 1960 erfolgte. Das gesamte System war 1964 voll einsatzbereit und wurde 1967 mit eingeschränktem Funktionsumfang und geringerer Genauigkeit für die Handelsschiffahrt freigegeben.

Mit wesentlichen Verbesserungen wurde 1993 das NAVSTAR-GPS vom US- Verteidigungsministerium offiziell für operabel erklärt und auch kommerziellen und zivilen Nutzern zur Verfügung gestellt.

Diese Arbeit soll eine Einführung in die hochmoderne Technik dieses Satellitennavigationssystem darstellen, und sich somit hauptsächlich mit den Grundlagen, den verschiedenen Ausführungen und Anwendungsmöglichkeiten beschäftigen.

2. GPS

Eigentlich: Nav igation Satellite using Time And Range - Global Positioning System (NAVSTAR GPS).

2.1. Definition:

Ein vom US-Verteidigungsministerium ursprünglich für militärische Zwecke in Auftrag gegebenes, Satellitennavigationssystem zur Bestimmung von Position, Geschwindigkeit und Zeit eines Körpers oder Punktes auf der Erdoberfläche oder der Erdatmosphäre, fest oder in Bewegung, unabhängig von den Sichtbedingungen.

2.2. Technisches Konzept des NAVSTAR-GPS

Das NAVSTAR-GPS ist aufgeteilt in drei Segmente: Weltraum-, Kontroll- und Nutzersegment. Das Weltraumsegment besteht aus 24 Satelliten in rund 20 200 km Höhe, welche auf sechs verschiedenen Bahnebenen die Erde in ungefähr zwölf Stunden in Ellipsen umkreisen. Damit ist gewährleistet, daß zu jedem Zeitpunkt und an jedem örtlichen Horizont immer mindestens vier Satelliten zur Verfügung stehen. Die Satelliten senden ständig getaktet Signale (sogenannte Codesequenzen) auf zwei Frequenzen: 1575,42 und 1227,60 Megahertz. Diese Signale beinhalten in der Hauptsache Informationen über die exakte Uhrzeit und der genauen Position der Satelliten.

Die Satelliten sind zwar so konzipiert, daß ihre Funktionen automatisch ablaufen und sie sich selbst kontrollieren. Um jedoch ein Maximum an Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei der Positionsbestimmung zu gewährleisten, werden die Satelliten durch ein Kontrollzentrum überwacht. Das Kontrollsegment besteht aus mehreren Bodenstationen, welche vom US- Verteidigungsministerium unterhalten werden. Aufgaben des Kontrollsegmentes sind unter anderem:

-Berechnung der Bahnparameter für jeden Satelliten
-Berechnen der Korrekturen für die "Uhren" in den Satelliten

Das Nutzersegment umfaßt alle Nutzer mit ihren verschiedenartigen GPS-Empfängern. Es empfängt die Daten der von den Satelliten gesendeten Signale und verarbeitet sie je nach Anwendungsfall zu folgenden Angaben:

- Ortsbestimmung
- Geschwindigkeit
- Uhrzeit (globale Systemzeit mit sehr hoher Genauigkeit)

2.3. Funktionsweise

Das Prinzip der Standortbestimmung bei Satellitennavigationssystemen besteht darin, daß Satelliten als Referenzpunkte für die Positionsbestimmung auf der Erde dienen. Um einen Punkt auf der Erde eindeutig orten zu können, ist es notwendig, die Entfernung durch Messung der Laufzeit von Signalen zwischen dem zu bestimmenden Punkt und mindestens drei, besser vier Satelliten zu kennen. Zum besseren Verständnis wird im Folgenden das Grundmodell von Satellitennavigationssystemen erläutert, bevor im Punkt 2.3.2. auf die Umrechnung von Signallaufzeiten in Entfernungen eingegangen wird.

2.3.1. Grundmodell

Abb.1

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 zeigt die möglichen Positionen des zu bestimmenden Punktes beim Einsatz nur eines Satelliten. Die Positionen können sich auf der Oberfläche einer Kugel mit einer bestimmten gemessenen Entfernung (hier: 11 000 Meilen) vom Satelliten befinden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Beim Einsatz eines zweiten Satelliten (Abb. 2) reduziert sich die mögliche Position auf die kreisförmige Schnittfläche.

Abb.2

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 zeigt auf, daß bei der Verwendung von 3 Satelliten nur noch zwei mögliche

Punkte als Position des zu bestimmenden Punktes in Frage kommen. Einer davon ist so weit von der Erde entfernt, daß dieser als mögliche (Erd-) Position ausscheidet.

Abb.3

2.3.2. Technische Umsetzung

Wie bereits oben erwähnt, senden die Satelliten getaktete Codesequenzen aus, welche vor allem die ganaue Uhrzeit, als auch die genaue Position des Satelliten beinhalten, aus. Genau zeitgleich taktet auch der GPS-Empfänger ein Signal . Das Signal des Satelliten trifft beim Empfänger, bedingt durch die Entfernung, etwas verspätet ein. Beide Signale sind am Empfänger deshalb nicht synchron. Um zu bestimmen, um welchen Betrag das Satellitensignal verspätet beim Empfänger eintrifft, verzögert man das Signal des Empfängers solange, bis beide Signale synchron sind. Der Betrag, um den man das Empfängersignal verzögert, entspricht dem Betrag, den das Signal für die Strecke benötigt.

Mithilfe der Laufzeit des Signals und des Wissens um die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen mittels Lichtgeschwindigkeit läßt sich dann relativ einfach die Entfernung berechnen: Das Produkt aus Laufzeit T und bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit c (Lichtgeschwindigkeit) der Wellen ist die gesuchte Entfernung p (Abb.4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.4

Gemessen wird die Laufzeit auf Grund der momentanen Uhrzeiten ("Zeitstempel") bei Ausstrahlung des Signals im Satelliten und bei Empfang durch den Nutzer. Eine genaue Zeitmessung setzt voraus, daß die Uhren beim Nutzer und in den Satelliten synchron und mit hoher Genauigkeit laufen. Ein Zeitunterschied von 1µs ergibt z.B. einen Entfernungsfehler von 300m. Die erforderliche Genauigkeit wird im Falle der Satellitenuhren mit einem Atomfrequenznormal erzielt. Wegen des technischen Aufwandes und der Kosten ist deren Einsatz nur in den Satelliten und nicht beim Nutzer möglich.

Um die bei der Verwendung weniger genauer "Uhren", z.B. quarzstabilisierte Oszillatoren, beim Nutzer auftretende Zeitabweichungen und damit entsprechende Entfernungsfehler zu eliminieren, wird bei NAVSTAR-GPS eine Zeitkorrektur vorgenommen, welche Bestandteil des Meßvorganges ist. Für diese Zeitkorrektur (Synchronisation der Empfänger- und Satellitenuhren) ist ein vierter Satellit notwendig.

2.3. Anwendung

Gerade beim NAVSTAR-GPS muß unterschieden werden zwischen zivilen und militärischen Nutzern. Das US-Department of Defense hat das NAVSTAR-GPS zwar im Prinzip frei zugänglich gemacht, aber durch Zwischenschaltung eines sogenannten C/A-Codes (clear access) für die Zivilnutzer eine erhebliche Ungenauigkeit eingebaut.

2.3.1. Anwendung im militärischen Bereich

Vom US-Verteidigungsministerium bei der Firma Rockwell zu Zeiten des Kalten Krieges in Auftrag gegeben, wurde das bereits 1981 in Betrieb genommene NAVSTAR-GPS Programm schnell zum "Krieg der Sterne" hochstilisiert. Gemeint war damit die genaue Zielsteuerung der eigenen Truppen -und Flugkörperbewegungen.

Das NAVSTAR-GPS, empfangen im sogenannten Precise-Code für das Militär, erreicht eine Genauigkeit im einstelligen Meterbereich. Dieses Grundwissen ermöglicht viele Spekulationen über die militärische Anwendungen. Als wirklich gesichert können folgende Punkte angesehen werden:

- Navigation der Truppen zu Land, zu Wasser und in der Luft
- Navigation von Marschflugkörpern (Golfkrieg)
- Hochgenaue Neuvermessungen

2.3.2. Anwendung im zivilen Bereich

Die Einsatzmöglichkeiten des reinen GPS für Zivilnutzer werden durch den, für nicht autorisierte Personen verwendeten, C/A (clear access)-Code erheblich eingeschränkt. Durch SA (Selective Availability = künstliche Verschlechterung) und AS (Anti Spoofing = Störschutz) wird die Genauigkeit auf 100m für 95 % Wahrscheinlichkeit, bezogen auf 24h für die Positionsbestimmung begrenzt. Die Verläßlichkeit der Geschwindigkeitsmessung beträgt 0,2 m/s.

Zudem behält sich das US Department of Defense eine temporäre bzw. territoriale Abschaltung in Krisensituationen vor.

Aus diesen Gründen planen derzeit mehrere europäische Staaten ein ergänzendes, rein ziviles Satellitensystem für Positionsbestimmungen.

NAVSTAR-GPS kann also nicht ohne Zusatzhilfsmittel für Messungen im Meterbereich benutzt werden. Fast alle Anwendungen im zivilen Bereich können genauer mit dem System des differentiellen GPS, also mit einer relativierenden Bodenmessung, bearbeitet werden. Unter Punkt 4 wird im Rahmen dieser Arbeit das System des DGPS und seiner Anwendungen erklärt, welche die Auswirkungen dieser beschränkten Genauigkeit umgeht.

3. GLONASS

GLONASS ist das russische Gegenstück zum US-amerikanischen NAVSTAR-GPS. Ebenso wie dieses wurde es zu Zeiten des kalten Krieges in Auftrag gegeben und wurde leicht zeitversetzt 1995 für voll operabel erklärt.

Die Funktionsweise von GLONASS entspricht weitestgehend der des NAVSTAR-GPS (24 Satelliten), weshalb nicht weiter darauf eingegangen werden soll.

Das GLONASS-System wird von den Russischen Weltraum-Streitkräften als Systemoperator für die Regierung der Russischen Föderation betrieben und bietet auch für die zivilen Nutzer aufgrund seiner Anwendungsbreite bedeutende Vorzüge.

Das GLONASS-System besitzt zwei verschiedene Navigationssignale: das normalpräzise Navigationssignal (SP) und das hochpräzise Navigationssignal(HP). Die Dienste der SP- Positions- und Zeitbestimmung sind allen zivilen GLONASS-Nutzern ständig und weltweit zugänglich und bieten die Möglichkeit, horizontale Lagegenauigkeiten von 57-70 Metern (bei einer Wahrscheinlichkeit von 99,7 %) zu erzielen, vertikale Lagegenauigkeiten von 70 Metern (Wahrscheinlichkeit von 99,7 %), Messkomponenten des Geschwindigkeitsvektors mit einer Genauigkeit von 15 cm/s (Wahrscheinlichkeit von 99,7 %) und einer Zeitgenauigkeit von 1 m/s (Wahrscheinlichkeit von 99,7 %).

Diese Eigenschaften können bei Verwendung des differentialen Navigationsmodus und besonderen Messmethoden noch bedeutend verbessert werden.

4. DGPS

Das große Problem der Nutzung der militärischen Satellitennavigationssysteme ist deren eingeschränkte Genauigkeit für zivile Nutzergruppen. Diese, durch Störungen des Signals, durch Codierung, aber auch durch (natürliche)Störungen des Signals in der Ionosphäre verursachte Ungenauigkeit, läßt sich erheblich einschränken durch das Verfahren des Differential Global Positioning System.

4.1. Definition

Das Differenial Global Positioning System ist ein Verfahren, bei dem die Ungenauigkeiten des NAVSTAR-GPS, als auch die des russischen Gegenstücks GLONASS, für zivile Nutzer durch eine relativierende Bodenreferenzmessung erheblich eingeschränkt werden.

4.2. Funktionsweise

Das Prinzip des DGPS besteht darin, daß eine Bodenreferenzstation, deren Position bereits bekannt ist, bei einer GPS-Messung ähnliche Meßungenauigkeiten aufweist, wie ein zu vermessender Punkt in der näheren Umgebung (maximal 500km). Bei der GPS- Neuvermessung der Referenzstation entstehen Differenzwerte zur tatsächlichen, bereits bekannten Position. Angenommen, der zu vermessende Punkt in der Umgebung weist nahezu identische Meßungenauigkeiten auf, so muß diesem GPS-Empfänger nur noch die Korrekturwerte der Referenzstation übermittelt werden, und vom GPS-Empfänger verarbeitet werden (Abb5). Der Korrekturwert reduziert die Meßungenauigkeiten des konventionellen, zivilen GPS auf 2-10 Meter.

Die Übermittlung der Daten geschieht mittels Lang- oder Ultrakurzwellen. Der Nutzer benötigt also neben einem GPS-Empfänger, der die DGPS-Korrekturdaten verarbeiten kann, einen Festfrequenzempfänger, der diese Daten empfängt. Referenzstationen mit dieser Sendefunktion überziehen die Erde allerdings noch nicht flächendeckend.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.5

4.3. Anwendung

Die Anwendungsmöglichkeiten des DGPS erscheint enorm. Überall, wo Positionen metergenau benötigt werden, ist DGPS von Interesse, u.a. für die Navigation im Straßenverkehr, im Flottenmanagement, bei Verkehrsleitsystemen, in der Flugnavigation, in der Nautik, in der Landwirtschaft, für Sicherheitsdienste, im Umweltschutz, bei Forschungsaufgaben, z.B. in Hydrologie und Geologie und zur Schaffung und Laufendhaltung von Geoinformationssystemen.

5. Vorstellung eines portablen GPS-Empfängers

Während des Referates wurde anhand eines portablen GPS-Empfängers der Firma Trimble Corporation die praktischen Aspekte anschaulich erläutert.

Es wurde dabei auf die erwähnten (Haupt-) Funktionen, Bestimmung des Ortes, der Zeit und der Geschwindigkeit Bezug genommen, als auch auf die darüber hinausreichenden Möglichkeiten der heutigen GPS-Empfängergeneration wie Eingabe von Waypoints und Zielen, als auch die Weiterverarbeitung der Daten an Rechnern eingegangen.

6. Ausblicke

Bereits heute ist absehbar, daß damit eine rasante Entwicklung erst begonnen hat. Die Technik wird sich vor allem neue Anwendungsfelder erschließen.

Im Umweltschutz ist z.B. ein riesiger Bedarf erkennbar. Ähnlich wie bei der Satellitenkommunikation wird der Umfang der Nutzung daher beträchtlich zunehmen, wovon nicht zuletzt die Industrie profitieren wird. Eine regelrechte Explosion des europäischen Marktes für GPS-Navigationsgeräte prognostizieren beispielsweise die englischen Marktforscher von Frost und Sullivan: Der Gesamtmarkt soll von 1992 bis 1998 von 146 Millionen auf 2,3 Milliarden Dollar wachsen. Davon werden Landanwendungen am meisten profitieren. Ihr Umsatz soll sich verzehnfachen, und zwar von 1,7 Millionen auf 1,9 Milliarden Dollar wachsen. Verdreifachen werden sich die Umsätze mit der Seefahrt (von 133 auf 346 Millionen Dollar). Der Bereich Luftfahrt soll von 11,6 auf 27 Millionen Dollar ansteigen.

Mit der Massenproduktion dürften auch die Preise der Empfänger weiter deutlich sinken, so daß auch Anwendungen im privaten Bereich schnell weitere Verbreitung finden werden.

Auf Anbieterseite bleibt das Problem, daß die jetzigen Bereitsteller (erd-) flächendeckender Satellitennavigationssysteme aus dem Militärischen Spektrum entstammen, und die Unsicherheit einer temporären oder territorialen Abschaltung zu Krisenzeiten bestehen bleibt.

Literaturverzeichnis

BACHMANN, P., 1993 Handbuch der Satellitennavigation, 1.Auflage, Stuttgart

BAUER, M., 1997 Vermessung und Ortung mit Satelliten, 4.Auflage, Heidelberg

PELZER, H., AUGATH, W., BAGGE, A., 1992 Anwendungen des Global Positioning Systems, 1.Auflage, Stuttgart

SCHROEDTER, F., 1994 GPS - Navigation, Technik, Systeme, Geräte, Funktionen und praktischer Einsatz, Poing

Internet:

http://gibs.leipzig.ifag.de

http://www.gpsworld.com/

http://www.garmin.com/db?MItab=garmin&MIval=splash

http://www.trimble.com

http://mx.iki.rssi.ru/SFCSIC/introduce.html

http://www.navcen.uscg.mil/gps/ggeninfo/gpsgenin.html

http://muenchen.bda.de/bda/nat/cz/archiv/130.html

http://www.contact-your.com/gps-page/main.htm

Das Copyright der Abbildungen liegen bei folgenden Firmen bzw. Institutionen:

Abb. 1-3: Trimble Corp.

Abb. 4 und 5: TU Ilmenau