NAVSTAR-GPS Das globale Positionierungssystem

Die Funktionsweise der Positionsfeststellung per Satellitensignal

Robert Grüller

In letzter Zeit wird viel über die Positionsbestimmung per Satelliten geschrieben. Im folgenden soll dem interessierten Leser eine möglichst -technikarme- Erklärung der Funktionsweise der Satellitennavigation geboten werden. Der zweite Teil Anwendung und Vorteile bei der Bahn, folgt in der nächsten Ausgabe.

 

NAVSTAR-GPS 

 NAVigation System with Timing And Ranging - Global Positioning System ist weder das erste noch das einzige Satellitennavigationssystem das es gibt, aber es ist das modernste und erfolgreichste. Erdacht, finanziert und ausgeführt unter der Leitung des US-Verteidigungsministeriums DoD, war dieses System als eine nur dem Militär vorbehaltene Einrichtung geplant. Zur Freude von Millionen zivilen Nutzern überwiegt heute die Anzahl der nicht militärischen Anwendungen jene der militärischen bei weitem.
 
 
 
 
 

 

 

 Abb.1: NAVSTAR Satellitenbahnen
 
 

 

 

 

Kurzer Blick in die Geschichte der Positionsbestimmung

Seit die Menschen auf diesem Planeten Reisen unternehmen, ist es für sie wichtig ihre jeweilige Position zu kennen. In früher Zeit wurde das durch beobachten der Gestirne getan, aber bei schlechtem Wetter mit wolkenverhangenem Himmel waren weder die Sonne noch die Sterne zu sehen, an denen man sich hätte orientieren können.

 

Kompaß

Der erste Kompaß ist vom Engländer Alexander Neckam ca. 1188 erwähnt worden. Damals wurde er als magnetisierte Nadel beschrieben, die auf einer Pfeilspitze lagert, immer zum Polarstern zeigt und so den Seeleuten den Weg weist.

 

Nautischer Almanach

Im 18. Jahrhundert waren es britische Astronomen die einen Nautischen Almanach, ein Verzeichnis über die genaue Sichtbarkeit der Gestirne und deren Bahnen, erstellten, sowie den Oktanten und danach den Sextanten entwickelten, mit deren Hilfe Seeleute den Breitengrad Ihrer Position genauer bestimmen konnten.

 

Längengrad finden

Das bis dahin große Problem, den Längengrad genauer zu bestimmen, löste John Harrison durch die Entwicklung einer Uhr, (das legendäre Modell H1) welche am Tag nur eine Sekunde vor oder nachging. Damit war es dann möglich den Breitengrad auch nach Wochen auf hoher See mit einer Genauigkeit von ca. 60 Km zu bestimmen. Da unser Planet sich dreht, ergibt eine um 2 Sekunden ungenaue Uhrzeit, bezogen auf den Zeitunterschied zur Greenwich Zeit immer noch eine Ungenauigkeit in der Position von einem Kilometer. Ein Uhrfehler von einer Minute am Äquator hat bereits einen Positionsfehler von ca. 28 Kilometern! zur folge.

 

Mechanische Navigation

Die erste bekannte Navigationshilfe ist der "South Pointing Chariot" ("Nach Süden zeigender Streitwagen") der Chinesen, erstmals erwähnt ca. 300 n. Ch. Dies ist es ein Zeiger, der beim Kurvenfahren die unterschiedlichen Wegstrecken der an einer Achse montierten Räder zur Anzeige der ursprünglichen Richtung benützt.
Erst 1910 gab es wieder eine mechanische Navigationshilfe: "Jones Live Map". Die zu befahrende Strecke mußte bekannt sein und ihr Plan als Papierscheibe vorliegen. Die von den Rädern angetriebene Papierscheibe drehte sich unter dem fixen Positionsanzeiger hinweg.
Kurz darauf kam in den USA der "Chadwick Road Guide" auf den Markt. Diese Navigationshilfe war imstande die Richtungsänderungen zu einem Fahrziel mittels Pfeilen anzuzeigen. Diese wurden von Stachelwalzen, die für jede Fahrtstrecke vorgefertigt waren mechanisch bewegt.

 

Radionavigation

Mit der Entwicklung der Elektronik ist man dazu übergegangen, die nicht immer sichtbaren Sterne durch Sender, die vom Wetter unabhängig empfangbare Funksignale aussenden, zu ersetzen. Dazu zählen die Systeme NDB, (Non Directional Beacons) ADF, (Automatic Direction Finder), OMEGA, (OMnidirectional Electronic Ground Antennas), LORAN-C ( Long Range Area Navigation) und LORAN-D, (die militärische Variante) sowie VOR/DME (Very High Frequency Omnidirectional Radio / Distance Measuring Equipment) und TACAN (Tactical Air Navigation).
Ein Problem aber konnten all diese Systeme nicht lösen. Wenn man eine lange Trägerwelle mit einer geringen Frequenz als Übertragungsmedium wählt, erreicht man einen großen Bereich, aber die erzielbare Genauigkeit bleibt gering. Nimmt man hingegen eine kurze Welle mit hoher als Frequenz als Medium, dann erreicht man zwar eine gute Genauigkeit, aber der Bereich denn ein Sender versorgen kann ist sehr gering. Man benötigt dann viele Sender, was die Sache sehr verteuert oder gar unfinanzierbar macht. Die Lösung dieser scheinbaren Quadratur des Kreises führte zu Satellitensystemen, bei denen durch die große Entfernung der Sendeantennen von der Erdoberfläche auch mit kurzen und hochfrequenten Signalen eine gute Flächenbedeckung erreichbar ist.

 

Die ersten Satellitensysteme

Bereits in den 50er Jahren begann die US-Navy mit Vorbereitungen zur Installation des ersten Satellitenpositionierungssystems TRANSIT. Eine aus immer fünf bis sechs aktiven Satelliten bestehende Konstellation, welche unseren Planeten in zirka 1000 Kilometer Höhe umkreist, sendet seit 1960 kontinuierlich ein Funksignal auf zwei Frequenzen zur Erde. Ab etwa 1973 war das TRANSIT Signal auch für zivile Anwender verfügbar, wovon die Schiffsnavigation regen Gebrauch machte. Auf der Grundlage des Doppler Effekts kann man so seine Position mit einer Genauigkeit von zirka 500 Metern bestimmen. Es gibt ein ähnliches System russischer, Herkunft, TSIKADA, sogar eine eigene militärische Variante davon (TSIKADA-M) welches ebenfalls auf dem Prinzip der Dopplermessung beruht und ebenso wie das US-Amerikanische TRANSIT Satellitennavigationssystem heute noch in Betrieb1 ist.
(1 TRANSIT wurde 1998 außer Betrieb genommen. 
 

 

 Abb.2: TRANSIT Konstellation
 

 

 

GLONASS

Das Russische Satelliten Navigationssytem, GLONASS (GlObalnaya NAvigationnaya Sputnikovaya Sistema) welches GPS sehr ähnlich ist, in dessen Konstellation aber drei Satelliten,1 aufgrund von Funktionsstörungen nicht aktiv sind, wird mit dem Amerikanischen GPS zusammen benutzt werden können. Geeignete Empfänger kommen nun auf den Markt. Dies wird Vorteile in der Genauigkeit und Verfügbarkeit der Satellitensignale zur Folge haben. Verglichen mit den GPS-Satelliten haben die Russischen GLONASS- Satelliten im Weltall leider nur eine Lebenserwartung von 3 bis 4 Jahren. Aber das GLONASS System hat den Vorteil, beim ebenfalls frei empfangbaren CA-Code, (Coarse Aquisition) eine nicht durch den S/A (Selective Availability) Effekt degradierte Genauigkeit zu bieten, wie die GPS Satelliten ab Block II dies tun. Ein weiterer Vorteil von GLONASS ist, daß der P-Code (Precision Code) nicht verschlüsselt ist.

  (1  Im Moment (Jänner 2013) sind 23 GLONASS Satelliten aktiv

Abb.3: Glonass Satellit 

 

 

Entwicklung

Die konzeptbedingten Nachteile des TRANSIT Systems, (geringe örtliche sowie zeitliche Verfügbarkeit, geringe Genauigkeit, keine Höhenmessung und erforderliche Kenntnis der Eigengeschwindigkeit) führten schließlich in der Navy zur Entwicklung und Installation der beiden TIMATION Satelliten, die später vom JPO (Joint Program Office) in NTS (Navigation Technology Satellites) umbenannt wurden. Auch die US Air-Force entwickelte ein System mit dem Namen "Projekt 621 B". Eine Zusammenführung aller Entwicklungen unter Leitung des JPO, ermöglicht schließlich die Entwicklung der NDS Satelliten (Navigation Development Satellites) oder besser bekannt als GPS Block-I Satelliten. Die Signalstruktur und Frequenzen der Air-Force und die Konstellation der Navy werden verwendet. Somit sind die NAVSTAR Satelliten welche im Weltall draußen, unsere Erde umkreisen schon die fünfte Generation der GPS Satelliten. Lieferant der 40 Satelliten der Blocks I, II und IIa ist Rockwell International. Die 20 Satelliten des Blocks IIR werden von Marietta Martin und weiteren 20 Sublieferanten gebaut.

 

Das Raumsegment

Die GPS Satelliten der Serie II und IIa, die derzeit ihren Dienst versehen sind 1,5 und 2 Tonnen schwer, bestehen aus 65000 Einzelteilen, versorgen sich mittels Sonnensegel von 700 Watt selbst mit Energie und haben eine geplante Lebensdauer von 71/2 Jahren. Einige der Block-I Satelliten sind 13 Jahre nach ihrer Installation im Weltall noch immer aktiv ! Die Struktur besteht aus der Honigbiene abgeschauten sechseckigen Zellen, welche aus einer speziellen Aluminiumlegierung gefertigt werden. Zur thermischen Isolation wird eine 13-lagige Plastikfolie aus Mylar und Kapton, sowie eine elektrische Heizung und Jalousien verwendet.  Die Flugbahn Korrektur wird mittels rotierender Scheiben, nach dem Prinzip der Massenträgheit erreicht. Die Scheiben werden durch Elektromagnete gebremst. Nur zur Änderung von Slotpositionen werden die kleinen Feststoffraketenmotore der GPS-Satelliten benützt. An Bord befinden sich bis zu 4 redundante Rubidium- und Cäsium-Atomuhren. Die Atomuhren sind der häufigste Grund für den Ausfall eines Satelliten und daher vierfach vorhanden. Jedoch ist immer nur eine der Uhren aktiv.

Abb.4: Navstar IIa Satellit

 

 

 

Der Kontakt zur Bodenstation und das senden der Positionsdaten wird von 12 rechtsgedrehten Spiralantennen, mit einem Abstrahlwinkel von 28 Grad besorgt. Die Gallium Arsenid-CPU, welche das Herz der MDU (Mission Data Unit) darstellt und mit einer Taktrate von16 MHz arbeitet, ist in der Programmiersprache ADA programmiert und enthält 25.000 Zeilen Code.

 

Satellitenbahnen

Im Jänner 1997 befanden sich 26 aktive Satelliten der Blocks II und IIa in sechs Erdumlaufbahnen etwa 20.000 Kilometer von der Erdoberfläche entfernt. Die Entfernung von der Erde, sowie die Lage der einzelnen Satellitenbahnen zueinander wurde sorgfältig gewählt, um eine optimale Signalbedeckung an jedem Punkt der Erde, mit der geringst möglichen Anzahl von Satelliten zu erreichen. Die mittlere Geschwindigkeit der Satelliten beträgt etwa 14000 Stundenkilometer und somit benötigen sie für eine Umkreisung der Erde ca. 12 Stunden. Die exakte Umlaufzeit beträgt 11 Stunden 57 Minuten und 59,3 Sekunden, was genau einen halben Sternentag ergibt. Dadurch, daß sich die Erde unter den Satelliten weiterdreht, überfliegt ein bestimmter Satellit nur einmal in 24 Stunden einen Punkt auf der Erde.

 

Kontrollsegment

Die Master Control Station in Colorado Springs und fünf weitere Stationen die sich in Äquatornähe rund um den Erdball befinden, überwachen die Satellitenbahnen, berechnen deren zukünftige Flugbahn und senden auf einer eigenen Servicefrequenz diese Ephemeridendaten an die Satelliten, die sie in ihrer Navigationsnachricht wieder zur Erde abstrahlen. Die entsprechenden Computerprogramme bestehen aus zirka zwei Millionen Zeilen Programmcode. Die notwendigen Mainframe Computer stammen von IBM, wie auch die notwendigen Softwareänderungen von IBM-Mitarbeitern durchgeführt werden.

 

Satellitensignale

Die Satelliten senden auf drei unterschiedlichen Frequenzen digitale Signale, sogenannte PRN Codes (Pseudo Random Noise) zur Erde. Diese Codes heißen deswegen Pseudo Random, weil ihre Struktur nur scheinbar zufällig ist.

Die Daten, welche die Satelliten mit einer Übertragungsrate von 50 bps (Bits pro Sekunde) zur Erde senden, enthalten die Position des Satelliten, die genaue Uhrzeit seiner Atomuhr sowie die Bahnephemeriden nach dem Prinzip der "sechs Keplerischen Elemente der Bahnen von Himmelskörpern" (zur Vorausberechnung der Satellitenbahnen werden 16 verschiedene Parameter berechnet), und den Almanach (weniger genaue Bahndaten) der anderen Satelliten.

 

Das Usersegment

Der Empfänger erkennt mittels CDMA (Code Division Multiple Access) von welchem Satelliten er soeben Signale empfängt (da alle GPS-Satelliten auf einer einheitlichen Frequenz senden, erkennt der Empfänger nur durch unterschiedliche Codierung, von welchem der Satelliten er soeben Daten empfängt). Der Zeitunterschied zwischen dem Empfang eines bestimmten Teiles des Signals und dem Zeitpunkt des Einrastens auf das im Empfänger erzeugte Signal (die Übertragungszeit vom Satelliten zum Empfänger) multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit, ergibt die "Pseudoentfernung" (Pseudo-entfernung, weil noch nicht fehlerbereinigt) zwischen Benützer und jeweiligem Satelliten.
Durch den Empfang von drei Satellitensignalen kann der GPS Empfänger seine eigene Position, durch drei Gleichungen mit drei bekannten Positionen ermitteln. Wenn er einen vierten Satelliten empfangen kann ist er in der Lage auch die Zeitdifferenz zwischen Empfängeruhr und Satellitenuhr herauszufiltern und so die Positionsgenauigkeit weiter zu erhöhen.

 

Signalstärke

Das Signal der Satelliten ist auf der Erdoberfläche so schwach (-160 dBW für den C/A Code und -163 dBW für den P(Y) Code), daß es im normalen Empfängerrauschen untergeht. Dieses Problem wird dadurch umgangen, daß der bekannte C/A Code im Empfänger selbst erzeugt wird und an das empfangene Signal angelegt wird. Bei gleicher Modulation "rastet" der Empfänger auf das Satellitensignal ein und es kann verfolgt werden.

 

Signalverschlüsselung

Der Code des militärischen Signals ist nicht Veröffentlicht und somit in frei erhältlichen Empfängern nicht erzeugbar. Zusätzlich ist der P-Code mit dem W-Code verschlüsselt (Anti Spoofing A/S) und wird dann Y-Code genannt. Anti Spoofing "gegen Verfälschung": Ein den US-Streitkräften unfreundlich gesinnter Gegner könnte den P-Code unbemerkt verändern. Das US Militär würde falsche Positionsmeldungen von den eigenen Satelliten bekommen. Um dem vorzubeugen ist der P-Code unentschlüsselbar, durch Modulo2-Addition codiert. Die verschlüsselte Codelänge beträgt 266 Tage, und jedem Satelliten ist davon eine sieben Tage lange Sequenz zugeordnet, deren Lage innerhalb des Gesamtcodes nicht bekannt gegeben wurde. Da die Positionsbestimmung in Echtzeit erfolgen soll, ist es weder möglich noch sinnvoll, diesen Code zu knacken.

 

Fehlerquellen

Die erreichbare Genauigkeit der Positionsbestimmung hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. Man unterscheidet hier systematische und statistische Fehler. Die wichtigsten sind S/A Effekt, Ionosphärischer-, Troposphärischer-, und Uhrzeitfehler sowie Mehrwegempfang. Eine Besprechung aller Fehler würde den Rahmen dieser Einführung sprengen und unterbleibt daher zugunsten der Erläuterung einiger anschaulicher Fehlerquellen.

 

Messgenauigkeit & S/A Effekt

Die basierend auf dem C/A-Code technisch erreichbare mittlere Genauigkeit liegt bei ca. 25 Metern. Allerdings ergibt sich durch den S/A-Effekt eine Verschlechterung der mittleren Genauigkeit auf 100 Meter 2drms (distance root-mean-square). Das Bedeutet, daß 95% der Messungen im Radius von 100 Metern liegen, oder anders formuliert, jedes 20. Messergebnis (die restlichen 5%) außerhalb dieses Kreises liegt. Der S/A Effekt besteht Hauptsächlich aus einer bewußten Verfälschung der Ephemeridendaten und eines Satellitenuhrdithers, der die Oszillatoreinheit zu unregelmäßigem Schwingen bringt und somit einen instabilen Zeitablauf vortäuscht.

 

Atomuhren

Die Notwendigkeit einer so genauen Zeitmessung, daß Atomuhren notwendig werden ergibt sich aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts, somit auch der elektromagnetischen Wellen der Satellitensignale. Das Meßprinzip von GPS beruht auf der Einweglaufzeitmessung des Satellitensignals zwischen Satellit und Empfänger. Ein Fehler in der Laufzeitmessung des Satellitensignals von einer Zehntausendstel Sekunde, ergibt bereits eine um 30 Kilometer falsche Position. So erklärt es sich, daß die Systembetreiber nach einer möglichst genauen Zeitmessung suchen. Die Rubidium Atomuhren an Bord der Satelliten verlieren oder gewinnen eine Sekunde in 30.000 Jahren. Den Cäsium Uhren wird nachgesagt sie seien ein wenig genauer, trotzdem werden die Abweichungen täglich korrigiert. In der nächsten Satellitengeneration werden Wasserstoff-Maser Uhren mit einer Genauigkeit von einer Sekunde in sieben Millionen Jahren ihren Dienst versehen.

 

Trägerraketen

Unglücklicherweise wurde der erste Satellit des Blocks IIR, der am 17. Januar 1997 von Cape Canaveral ins All transportiert werden sollte, 21 Sekunden nach dem Start wegen eines Booster Fehlers vernichtet. Dies ist nach dem Fehlstart vom 18.12.1981 erst der zweite GPS Satellit der wegen eines Raketenversagens verlorenging. Die ursprünglich eingesetzten Trägerraketen Atlas-F reichten nicht aus um die schwereren Block-II Satelliten ins Weltall zu bringen. Deswegen war geplant die Satelliten im Frachtraum eines Space-Shuttle in den Weltraum reisen zu lassen. Nach dem Challenger Desaster wurden schließlich verbesserte McDonnell Douglas Delta IIs als Trägerraketen eingesetzt.

 

Koordinatensysteme

Das nächste Problem, das die Systementwickler zu lösen hatten, war die Beantwortung der Frage in welchem Koordinatensystem die Satellitendaten beschrieben werden sollten. Für die Erstellung von Landkarten haben Geodäten bislang über 200 lokale geodätische Datums erstellt. Das zugrundeliegende Problem ist die Verzerrung bei der Darstellung der sphärischen Erde auf einer planen Landkarte. Um diese Verzerrung so gering wie möglich zu halten, wurde jeweils ein bestangepaßtes lokales Ellipsoid als Grundlage des lokalen Datums herangezogen.

 

WGS-84

Eine Lösung ergab sich im World Geodätic System 1984 (WGS-84), welches einen guten Kompromiß darstellt. Es ist auf Grundlage des Erdschwerefeld-Modells erstellt und bietet eine gute Näherung für viele Punkte der Erde. Als weltweites System benötigte GPS auch eine weltweit einheitliche Bezugsreferenz.
Ein weiteres Problem stellt die Transformation von Koordinaten zwischen den sich im Weltall bewegenden Satelliten, deren Positionen in einem sogenannten Conventional Celestial Reference System (Vereinbartes raumfestes Koordinaten-System) beschrieben werden und einem Conventional Terrestrial Reference System (Vereinbartes erdfestes Koordinaten-System) wie WGS-84 eines ist, dar. Momentan sind 99 Lokale Datums an WGS-84 angebunden, was die Konvertierung von Positionsangaben zwischen den Koordinatensystemen wesentlich vereinfacht.

 

Bezugssysteme

Unser Heimatplanet ist unstet. Er taumelt hin und her, kreist nicht rund und ändert bei seiner jährlichen Reise rund um die Sonne auch noch seine Geschwindigkeit. Die entsprechenden Fachausdrücke sind Nutation für das schwanken der Erdachse und Präzession für ihre Veränderung gegenüber dem Himmelsnordpol. Daher benötigt man zur Beschreibung eines Punktes auf der Erde einen Bezugsrahmen der mit der Erde fest verbunden ist. Zur Beschreibung einer Bahn eines Himmelskörpers braucht man ein Bezugssystem, welches von den Eigenbewegungen der Erde unabhängig ist, eben ein raumfestes System.

 

Konvertierung

Die Konvertierung der Satellitendaten vom raumfesten System ins erdfeste System wird aber von den GPS Systembetreibern vorgenommen und ist in den Daten die von den Satelliten zur Erde abgestrahlt werden bereits berücksichtigt. Die Umrechnung von WGS-84 Daten in das jeweilige lokale geodätische Datum, in dessen Koordinatensystem auch die Landkarten erstellt sind, muß aber vom Empfänger selbst besorgt werden, was die Geräte komplizierter macht und etwas verteuert.

 

Augmentation

Es gibt es mehrere Möglichkeiten, um eine bessere Genauigkeit zu erreichen, als es mit C/A Signal möglich ist, auch wenn man nicht auf das L2-Signal der Satelliten, den sogenannten P(Y) Code zugreifen kann. Die weitverbreitetste ist DGPS (Differential GPS). Weiters KDGPS (Kinematik-DGPS) auch Carrier Tracking, neuerding auch RTK (Real Time Kinematik) genannt, Pseudolites, Common View Technology, Map Matching, INS (Inertial Navigation System), und Geostationary Satellite Overlay wie das US Amerikanische WAAS Konzept.

 

Differential-GPS

Eine in ihrer Position genau vermessene Basisstation, die in ihrem Speicher diese Positionsdaten hat, mißt permanent mit einer eigenen Antenne ihre Position. Der dabei festgestellte Unterschied zwischen der sogenannten "wirklichen Position" (jener im Speicher) und der jeweils aktuell gemessenen Position (die durch aktuell beeinflussende Fehler nicht so genau ist) wird in Entfernung und Richtung per Funk oder Telefon an die sich in der Umgebung befindlichen mobilen Empfänger gemeldet. Diese haben im selben Moment den gleichen, die Position beeinflussenden Fehler. Aber durch die von der Basisstation übermittelten Korrekturdaten sind die Mobilgeräte in der Lage auch ihre eigene Position entsprechend zu korrigieren. Damit ist bei diesem Verfahren wenn die Korrekturdaten nicht älter als zirka 10 Sekunden und die Basisstation nicht weiter als zirka 50 Km entfernt ist, eine Genauigkeit der Position von zirka ein bis

zwei Metern erreichbar. Bei älteren Korrekturdaten oder einer größeren Entfernung zwischen Basisstation und mobilem Empfänger verschlechtert sich die erreichbare Genauigkeit entsprechend.

 

Abb.5: Differential-GPS Prinzip

 

Pseudolites

Ein Pseudolite ein Satellit am Boden, der ebenso wie seine Kollegen im Weltall, seine Positionsdaten in deren Codeformat sendet. Dieses Signal muß allerdings sehr schwach sein, da es sonst die Signale der Satelliten aus dem All überlagern würde. Deswegen sind die Signale von einem Pseudolite nur in einem Umkreis von zirka 50 Kilometer zu empfangen. Der Vorteil eines solchen Satelliten ist, daß seine Uhrzeit sehr genau zur Atomzeit der GPS Bodenkontrollstation gehalten werden kann und seine Signale nicht den relativistischen-, troposphärischen-, ionosphärischen- und die Uhrzeit beeinflussenden Fehlern unterliegen, als auch von der beabsichtigten Verschlechterung der Genauigkeit durch S/A (Selective Availability) nicht betroffen sind. Ein mobiler Empfänger kann durch den gemeinsamen Empfang von Pseudolite-, und Satellitensignalen aus dem All im Einflußbereich eines Pseudolites seine Positionsgenauigkeit bis in den Bereich unterhalb eines Meters verbessern. Das Haupteinsatzgebiet für Pseudolites wird beim sogenannten "Bubble-Aproach" Anflugverfahren von Flugzeugen nach CAT-III Bedingungen sein.

 

Kinematik-DGPS

Kinematik DGPS, in jüngster Zeit auch als RTK (Real Time Kinematik) bezeichnet, ist eine Technik bei der neben dem Code der auf die Trägerwellen aufmoduliert ist auch die Sinusphase der Trägerwelle selbst gemessen wird (Carrier Tracking). Da grundsätzlich die Methode der Positionsbestimmung auf der Entfernungsmessung zwischen Empfänger und Satellit beruht, kann man, wenn man die Zeit auf billionstel Sekunden genau kennt, auch die Anzahl der Sinuswellen bestimmen und somit eine sehr genaue Positionsbestimmung erzielen. Dazu wird erst die Phasenmehrdeutigkeit durch Codemessung eingeschränkt. Wenn man dies mit einem stationären und einem mobilen Empfänger tut ist man in der Lage die Position des mobilen Empfängers auf wenige Zentimeter genau zu bestimmen.

 

Common-view Technologie

Wenn zwei weit voneinander entfernte Empfänger die dennoch Signale der selben Satelliten empfangen über eine Kommunikationsverbindung ihre Uhrzeit vergleichen können, sind sie auch in der Lage die Uhrfehler zwischen den eigenen und den Satellitenuhren herauszurechnen und so ihre Position sehr genau zu bestimmen.

 

Das WAAS Konzept

Von der Amerikanische Zivilluftfahtrtsbehörde (FAA) wurden zirka 30 Monitorstationen in den USA errichtet, die permanent die GPS Signale empfangen und an Master-Stationen weiterleiten. Diese haben nun von vielen verschiedenen Satelliten Signale und die Möglichkeit die jeweiligen Fehler herauszurechnen und die berechneten Korrekturdaten auf einer L1-Frequenz zu geostationären INMARSAT-3 Satelliten zu senden. Diese strahlen diese Korrekturdaten mit einem von den GPS-Satelliten nicht verwendeten PRN-Code zurück auf das amerikanische Staatsgebiet, wo sie von jedem Flugzeug das einen modifizierten GPS-Empfänger hat, empfangen und zur genaueren Positionsbestimmung verwendet werden können. Der inoffizielle Betrieb hat 1997 schon begonnen, der offizielle Start wird 1998 sein. Ein ähnliches Konzept EGNOS (European Geostationary Satellite Overlay) soll in Europa entstehen, ist allerdings bisher über die Planungsphase noch nicht hinausgekommen. An der Planung und Finanzierung beteiligt sind neben der EU auch EUROCONTROL und die Europäische Raumfahrtagentur (European Space Agency ESA).

 


Abb.6: Das US-Amerikanische WAAS Konzept

 

 

Anwendungen
 
Das Spektrum der nutzbringenden Verwendungsmöglichkeiten von GPS entspricht der Amerikanischen Philosophie "everything goes". Die Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten ist scheinbar nur durch die menschliche Phantasie begrenzt. Sie reichen von spektakulären wie z.B:

bis hin zu nahezu unbemerkten Anwendungen,

Das bis zu zentimetergenaue Steuern von Maschinen im Urwald oder beim Tagbau in Bergwerken, sowie die Überwachung und Steuerung jeder Art von Fortbewegungsmitteln in der Luft, zu Lande und auf dem Wasser ist mit GPS möglich. Ja selbst im Weltall wird GPS zur Positionierung von diversesten Satelliten benützt. Auch die Raumfähren (Space Shuttles) der NASA werden von dem bisher verwendeten militärischen Ortungssystem TACAN (Tactical Air Navigation) auf GPS-basierte Navigation umgerüstet.

 

Blick in die Zukunft

Durch den rasanten Entwicklungsfortschritt (der Generationswechsel bei GPS-Empfängern beträgt zirka 18 Monate!) und die damit verbundene Leistungssteigerung, sowie den rapiden Preisverfall werden neue Anwendungsmöglichkeiten erschlossen, bei denen nur zu hohe Hardwarekosten den Einsatz von GPS verhindert hatten. Vor zirka 10 Jahren kostete ein GPS Empfänger 150.000 Schilling, heute ist ein Empfänger in Taschenrechnergröße um zirka 3000 Schilling zu haben. Ein OEM (Original Equipment Manufactorer) GPS-Core in Scheckkartenformat kostet nur mehr 1000 Schilling. Core Bezeichnet das das Herzstück eines GPS Empfängers, vergleichbar mit der CPU eines Computers das zum Einbau in andere Geräte, ohne daß der Name des eigentlichen Erzeugers genannt wird, verkauft wird.


 

Kürzere Schiffspassagen mit GPS

Eine Agentur in Palo Alto berechnet für große Schiffe einen spezifischen Kurs und verwendet dazu drei Arten von Satelliten. INMARSAT- Kommunikationssatelliten, GPS-, und Wettersatelliten. Aufgrund von Wetter, Strömung, Route, Ladung, Schiffsbauart, wird ein optimaler Kurs errechnet und zwei mal täglich via INMARSAT an etwa 1000 Schiffe, die diese Dienstleistung pro Monat in Anspruch nehmen, übermittelt. Diese können mittels diesem optimierten Kurs die Fahrzeit für ihre Atlantiküberquerung um zirka vier Stunden (Pazifikquerung etwa 8 Stunden) verkürzen. Die Kosten dafür getragen 800 US-Dollar, und sind - verglichen mit den Betriebskosten eines Ozeanriesen von zirka 1000 Dollar pro Stunde - gering. Zusätzlich können die Schiffe Schlechtwetterfronten großräumig ausweichen. Dadurch sind die jährlichen wetterbedingten Schäden an Handelsschiffen um durchschnittlich 50.000 Dollar geringer geworden.

 

 


GPS und die Eisenbahn

Auch die in Sicherheitsfragen sehr traditionell denkenden Eisenbahntechniker haben, vorerst in Amerika, begonnen die Kostenvorteile
eines auch Satellitensignale verwendenden Sicherungssystem zu nutzen. Genaueres darüber, sowie mehr zu den phantastischen Synergie-
möglichkeiten, die sich aus der Anwendung von Satellitennavigation für den Eisenbahnbetrieb ergeben, lesen Sie im folgenden Artikel:

 

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Anwendungen und Vorteile für den Eisenbahnbetrieb

 

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