GPS-Einführung

Global Positioning System (GPS)

Das Global Positioning System (GPS) wurde ab 1973 vom Joint Programm Office, das zum amerikanischen Verteidigungsministerium gehört, entwickelt. Der Auftrag bestand in der Erstellung eines satellitengestützten Systems, das die Navigation eines beliebigen bewegten oder ruhenden Objekts ermöglicht. Weiters sollte dieses System bei jedem Wetter, zu jeder Zeit und an jedem beliebigen Ort - also zu Lande, zu Wasser und in der Luft - funktionieren. Wooden (1985) definiert dieses System demnach als ein "Allwetter-, weltraumgestütztes Navigationssystem, entwickelt vom amerikanischen Verteidigungsministerium, um die Bedürfnisse des Militärs zur genauen Bestimmung von Positionen, Geschwindigkeiten und Zeit in einem permanenten überall auf der Erde allgemein gültigen Referenzsystem zu befriedigen". Durch den vollständigen Ausbau der GPS-Satellitenkonstellation auf 24 Satelliten konnte das Anwendungsspektrum dieses Systems enorm ausgeweitet werden. In der Folge wurde dieses System auch zivilen Nutzern zur Verfügung gestellt.

Grundfunktionen des GPS

Das GPS ist die derzeit modernste Vermessungsmethode und beruht auf der Nutzung von Informationen künstlicher erdumkreisender Satelliten (Bill, Fritsch 1994). Die interessanteste Komponente des GPS ist die dreidimensionale Positionsbestimmung und beruht auf dem Prinzip von Streckenmessungen. Dabei werden mittels Zeitmessungen Distanzen zwischen Satelliten und Empfänger erfaßt.

Sollen im dreidimensionalen Raum die Koordinaten eines unbekannten Punktes durch Streckenmessung bestimmt werden, so sind von drei bekannten Punkten aus die Strecken zum unbekannten Punkt zu messen. Bei GPS werden die bekannten Punkte durch Satelliten realisiert. Ausgehend von der bekannten Satellitenposition kann die Koordinate der Nutzerantenne abgeleitet werden. Die Distanz zwischen dem Satelliten und dem unbekannten Punkt kann durch Messung der Laufzeit des Radiosignals abgeleitet werden. Dabei generiert eine Uhr im Satelliten Zeitmarken auf dem Signal, mit denen der Zeitpunkt der Signalaussendung bestimmt werden kann. Die Ankunftszeit einer Zeitmarke wird mit einer Uhr im Empfänger bestimmt. Da die beiden Uhren (die des Satelliten und des Empfängers) niemals vollständig synchronisiert sein werden ("clock error"), erhält man nicht die geometrische Entfernung, sondern Pseudodistanzen ("Pseudoranges"). Es liegen für eine räumliche Positionsbestimmung eines Punktes nicht mehr nur drei unbekannte Koordinaten vor, sondern es kommt als vierte Unbekannte noch der Uhrfehler des Empfängers hinzu. Zur eindeutigen Bestimmung der drei unbekannten Koordinaten der Empfängerstation sind demnach die gleichzeitige Messung der Pseudodistanzen zu mindestens vier Satelliten erforderlich (Hoffmann-Wellenhof et al. 1994). Demzufolge basiert das GPS-Konzept auf der Tatsache, dass überall auf der Erde gleichzeitig Signale von vier oder mehr Satelliten zu empfangen sind.

Raumsegment

Satelliten:

Seit der Endausbaustufe besteht das Raumsegment aus 24 Satelliten, die in sechs Bahnebenen mit jeweils vier Satelliten die Erde in einer Höhe von rund 20.200km umkreisen. Von den 24 Satelliten werden 21 als reguläre Satelliten und die restlichen drei als Reservesatelliten betrachtet, die primär als Ersatz für ausfallende Satelliten zur Verfügung stehen. Damit können von jedem Punkt der Erde, bei jedem Wetter und zu jeder Zeit zwischen vier und acht Satelliten mit einem Höhenwinkel von zumindest 15° beobachtet werden. Die nahezu kreisförmigen Satellitenbahnen sind gegenüber der Äquatorebene um 55° geneigt. Die Satelliten haben zwei vollständige Erdumläufe absolviert, wenn die Erde eine Rotation um 360° vollzogen hat.

Jeder Satellit ist mit einer Uhr (Oszillator), einem Mikroprozessor, einem Sender und einer Antenne ausgestattet. Die Energieversorgung erfolgt über zwei große Sonnenkollektoren.

Signale: Die primäre Aufgabe der Satelliten besteht im Senden von Signalen, die mit geeigneten Empfängern registriert werden können. Der Satellit liefert drei Typen von Signalen: Trägerwellen und die auf diesen aufmodulierten Codes und Navigationsnachrichten.

Von der Grundfrequenz von 10,23 MHz des Satellitenoszillators werden die beiden Trägerwellen L1 und L2 abgeleitet. Es sind ganzzahlige Multiplikationen (154 bzw. 120) der fundamentalen Frequenz und weisen eine Wellenlänge von etwa 19 cm bzw. 24 cm auf. Die Verwendung von zwei Trägerwellen ermöglicht die Elimination bestimmter Fehlereinflüsse.

Auf diese Trägerwellen sind zwei Codes, der C/A-Code (Coarse/Acquisition-Code) und der P-Code (Precision-Code), aufmoduliert. Diese Codes stellen Zeitmarken dar und erlauben die Bestimmung des Zeitpunkts der Signalaussendung. Der L1-Trägerwelle sind der sehr präzise P-Code und der etwas gröbere C/A-Code, der L2-Trägerwelle nur der P-Code aufmoduliert.

Schließlich wird auf die beiden Trägerwellen L1 und L2 die so genannte Navigationsnachricht aufmoduliert. Aus dieser gewinnt der Benutzer unter anderem die Bahndaten der Satelliten.

Fehlerquellen

GPS-Messungen werden noch durch verschiedene äußere Einflüsse verfälscht. Einige Fehlereinflüsse, wie beispielsweise SA und A-S, wurden schon oben erwähnt.

Einfluss der Ionosphäre:

Die vom Satelliten ausgesandten Signale müssen Schichten ionisierter Gasatome durchqueren, welche die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Signale hemmt. Die Ionenkonzentration ist kein konstant kalkulierbarer Faktor, sondern hängt stark von der Tageszeit, Jahreszeit, Sonnenaktivität, geographischer Breite des Empfängers und von der Höhe und Richtung des Satelliten ab. Bei Empfängern, welche beide Trägerwellen L1 und L2 empfangen können, kann der Einfluss der Ionosphäre kompensiert werden.

Einfluss der Troposphäre:

Auch die Troposphäre beeinflusst die Ausbreitung der Satellitensignale (troposphärische Refraktion). Entscheidend ist hierbei der Höhenwinkel der Satelliten.

Multipath:

Dieser Effekt tritt infolge von Mehrfachreflexionen des Signals auf. Diese Mehrwegausbreitung des Satellitensignals tritt vor allem in der Nähe von reflektierenden Flächen auf und kann die gemessenen Phasen bis zu mehreren Zentimetern verfälschen. Multipath kann durch spezielle Antennen oder eine geeignete Wahl des Antennenstandortes reduziert oder ganz vermieden werden. Auch Sender oder sonstige elektrische Anlagen (Hochspannungsleitungen, Oberleitungen, Transformatoren) in unmittelbarer Nähe der Antenne können die Satellitensignale beeinflussen.

Genauigkeit der Satellitenumlaufbahnen:

Zwischen der vorausberechneten und der tatsächlichen Umlaufbahn der Satelliten gibt es geringfügige Abweichungen, den sogenannten Ephemeridenfehler.

Genauigkeit der Uhren:

Auch die hochpräzisen Atomuhren sind nicht frei von Abweichungen.

Geometrie der Satellitenpositionen:

Die Position der Satelliten beeinflußt auch die Güte des ermittelten Empfängerstandortes. Ein Maß für die Geometrie der Empfänger-Satelliten-Konfiguration stellt der zehnstufige PDOP dar. Eine optimale Geometrie wird durch einen niedrigen PDOP-Wert charakterisiert.

Abschattung der Signale durch Horizontüberhöhung:

Abschattung tritt unter dicht belaubten Bäumen, unter einer überhängenden Felswand und in engen Straßenschluchten auf. Dadurch ist der gleichzeitige Empfang von vier verschiedenen Satellitensignalen erschwert und somit keine Positionsbestimmung möglich.