GPS-Technologie
1.Einleitung
Um mit dem Wagen von A nach B zu gelangen und vorher keinen Blick in Stadtplan geworfen zu haben, führte noch vor 20 Jahren meist nicht an das gewünschte Ziel. Erst seit der Einführung von GPS und die stetige Weiterentwicklung der Hard- sowie Software und dem Ausbau eines weltumspannenden Satellitensystems, machten eine genaue Positionsbestimmung auf der Erde und die daraus resultierenden Möglichkeiten machbar. Das
Global
Positioning
System oder auf GNSS, welches seine Entstehung dem amerikanischen Verteidigungsministerium verdankt, wurde Mitte der 80er Jahre ins Leben gerufen. Geplant waren anfangs 24 sich im Orbit befindliche Satelliten von denen drei als Reserve dienen und 21 die aktive Positionsbestimmung übernehmen sollten. Heutzutage befinden sich ständig rund 30 Satelliten im All und machen somit eine exakte Aufenthaltsortung auch dann möglich, wenn sich der Empfänger nicht direkt auf der Erdoberfläche, sondern in ein Flugzeug oder auf einem hohen Berg, befindet. Die Entwicklung der letzten Jahre und die Entsendung immer technisch modernerer Satelliten machen eine um mehrere Zentimeter genaue Bestimmung der Position in Echtzeit auch für private Anwendung möglich und auch bezahlbar. Mittlerweile hat das ursprünglich Satellitensystem des amerikanischen DOD (department of defense) nicht mehr die alleinige Monopolstellung inne, sondern durch die Entsendung eigener Satelliten und dem Aufbau eines entsprechenden Netzes von Empfängerstation auf der Erde, hat Europa einen Anschluss in diesem Bereich geschaffen.
2.Tracking vs Positioning
Beim "tracking" handelt es sich um ein Verfahren bei dem ein zu beobachtendes Objekt mit Zuhilfenahme von Sensoren in einem bestimmten Gebiet geortete werden kann. Hierbei kann man von einer Präsenzbestimmung sprechen, da sich dieses System größtenteils darauf beschränkt Aussagen über die Anwesenheit des Objektes zu treffen, als eine genaue Positionsbestimmung zu formulieren. Ausschlaggebend für die Genauigkeit der zu bestimmenden Position ist hierbei die Anzahl der sich im System auf ein definiertes Gebiet befindlichen Sensoren. Somit ist dieses Verfahren für eine Anwendung in einem global umspannenden System eher ungeeignet, da eine zu große Anzahl an Sensoren notwendig wäre. Im Vergleich zu dem im Bezug auf das zu betrachtende Objekt passiv ablaufende Verfahren des "trackings" handelt es sich beim "positioning" um eine aktive Methode, bei dem das Objekt welches seine Position bestimmen möchte, von sich aus eine Anfrage an Sensoren sendet, als passiv und ständig von diesen erfasst zu werden. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens liegt außerdem im vergleichsweise geringeren Aufwand der auf Seiten des Sensorensystems im Bezug auf Datenspeicherung und Verwaltung der Position von Objekten für die eine Bestimmung des Aufenthaltes erforderlich ist. Diese liegt in diesen Fällen vollständig auf Seiten der Nutzer dieses Dienstes.
3.Dreidimensionale Positionsbestimmung
Die Berechnung der Position des Empfängers des GPS-Signals geschieht mittels Trilateration. Dies bedeutet, dass die die Entfernung zum Empfänger von drei verschiedenen Positionen, in unserem Fall die Entfernung zu den "sichtbaren" Satelliten, gemessen wird. Die zurückgelegte Strecke des Signals läßt sich über die Informationen, welche die gesandten Nachricht enthalten, berechnen. Die Daten des Signals setzten sich aus der Identifikation des Satelliten, die genaue Position zum Zeitpunkt des Versendens und der absolut genauen Zeit des Abschickens, mittels Atomuhr, zusammen. Im eindimensionalen Raum würde zur Bestimmung der Position des Empfängers das Signal von zwei Satelliten ausreichen. Nimmt man fest an, dass sich der Empfänger allein auf der Erdoberfläche aufhält so kann man von einem zweidimensionalen Raum sprechen und die Positionsbestimmung würde die Daten von 3 Satelliten benötigen. Bei dieser Annahme gehen wir allerdings wie schon erwähnt davon aus, dass sich der Empfänger unmittelbar auf der Erdoberfläche befindet. Will man nun allerdings zusätzlich noch die absolute Höhe bestimmen reichen drei Satelliten nicht mehr aus und es wird ein vierter Erdtrabant benötigt. Dieses Verfahren wird als "3D position fix" bezeichnet, die Methode basierend auf 3 Satelliten entsprechend "2D poistion fix". Nach der Theorie müsste nun eine exakte Positionsbestimmung mit Hilfe der vier Entfernung zu den Satelliten möglich sein. Da allerdings äußere Umstände, ungenaue Uhren in den Empfängern und andere Einflüsse Daten verfälschen können, reicht eine simple Berechnung der aktuellen Position mit den vorhandenen Meßergebnissen nicht aus. So kann eine Abweichung der Uhr des Empfängers im Vergleich zu der tatsächliche Zeit, welche ja in den Satelliten mittels Atomuhren sichergestellt ist, alleine schon eine Abweichung der genauen Position um mehrere Kilometer bedeuten, bzw verzerrt den mathematischen Schnittpunkt der Entfernungen enorm da in die Berechnung Größen wie die Lichtgeschwindigkeit und Distanzen von mehreren tausend Kilometer mit einfließen. Bei keinerlei Ungenauigkeiten gäbe es keine Abweichung und die Position wäre exakt bestimmbar:
Quelle: http://www.kowoma.de/gps Schon bei einer Abweichung von einer halben Sekunde verlagert sich der Schnittpunkt um mehrere Kilometer:
Quelle: http://www.kowoma.de/gps Bei der Benutzung von 3 Satelliten zu Positionsbestimmung erhalten wir nun nicht mehr nur einen Schnittpunkt, sondern entsprechend drei (B), welche nun einen erhöhten Rechenaufwand und zusätzliche Daten um den exakten Standpunkt zu interpolieren (A). Bei der Berechnung, und der damit implizit verbundenen Anpassung der Radien der Entfernungen auf den genauen Schnittpunkt, ist es möglich die Uhr des GPS-Empfängers an die Atomuhren der Satelliten anzugleichen und für den Moment mit der exakten Zeit weiterzuarbeiten: ("2D position fix")
Quelle: http://www.kowoma.de/gps
4.Das Signal
Bei der Definition eines Signals sind drei Faktoren ausschlaggebend, beziehungsweise müssen zu Beginn festgelegt werden. Diese drei Eigenschaften sind:
- Frequenz
- Übertragene Daten
- Kodierung
Für die Wahl der Frequenz waren die äußeren Begebenheiten durch die Positionierung der Sender, also der Satelliten, im Weltall und die damit verbunden großen Distanzen, die das Signal zurück legen muss, ausschlaggebend. Zusätzlich muss eine unbeschadete Passage durch die verschiedenen Schichten der Atmosphäre gewährleistet werden. Aus diesem Grund wurden die Frequenz von 1575,42Mhz für das L1 Signal und 1227,60Mhz für das L2 Signal gewählt. Diese Frequenzen stellen sicher, dass eine Abschwächung und Ablenkung bei der Durchdringung der Ionosphäre und Troposphäre zum einen möglichst gering und für beide Signal unterschiedlich ist. Die Wahl einer Frequenz über 2Ghz hätte eine Verwendung von Richtantennen mit sich gezogen. Eine sehr geringe Mhz-Rate hätte zwar eine bessere Verfügbarkeit des Signals auch bei fehlendem Sichtkontakt zu den Satelliten bedeutet, allerdings den Nachteil einer größeren Abweichung der Ausbreitungsgeschwindigkeit in Medien im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit bedeutet. Die Wahl der zu übertragenen Daten hat sich allein schon durch ihrer Notwendigkeit selbst definiert. So muss das Signal für eine genaue Bestimmung der Position durch den Empfänger mindestens eine Zeitkorrektur, die Position des Satelliten, die Identifikation des Satelliten sowie den Zeitpunkt des Abschickens des Signals. Die Identifikation eines Satelliten erfolgt über einen unverwechselbaren Code der als "Pseudo Random Noise (PRN)" bezeichnet wird. Der gesamte Datensatz umfasst 37000 bit, wobei in diesem Zusammenhang von chips gesprochen wird. Bei einer Übertragungsrate von 50bits/s dauert somit die Gesamtzeit zur Vermittlung der Daten 12min 30sek. Abhängig von der Zeit die der Empfänger vom System getrennt war, gibt es verschiedene Abstufungen in der Zeit, die der Receiver benötigt um die aktuelle Position zu bestimmen. Dies kann von nur wenigen Sekunden, beispielsweise beim durchfahren eines Tunnels, bis hin zu den oben beschriebenen 12min dauern, wenn das System nur veraltete oder gar keine Informationen zur momentanen Position besitzt. Diese Daten werden in 25 Frames a 1500chips verpackt, welche wiederum aus 5 Subframes bestehen. In diesen Subframes befinden sich nun die Informationen zur Identifikation sowie Position des Satelliten, der Zeitdifferenz und den Zeitpunkt des Abschickens dieser Nachricht. Ebenso kann ein Satellit bei einer Abweichung von seinem Kurs durch eine Basisstation als "fehlerhaft" ausgezeichnet werde. Diese Information wird ebenfalls über diese Nachricht verbreitet und GPS-Empfänger können die Daten dieses Satelliten gesondert oder auch gar nicht in ihre Positionsbestimmung mit einbeziehen. Bei der Kodierung der ausgetauschten Nachrichten hat man sich zu einer Phasenmodulation entschieden, da sich dies für die Übertragung der Daten auf sehr große Distanzen aufgrund seiner geringen Fehler- und Fehlinterpretierquote im Vergleich zu Frequenz- und Amplitudenmodulation, ausgezeichnet hat.
5.PPS vs SPS
Da das Militär sich durch die Entwicklung des GPS-System einen Vorteil verschaffen wollte, es allerdings auch der zivilen Nutzung zur Verfügung stellte, wurde zum einen das Signal auf der Frequenz L1 durch die "Selective Availability (SA)" verfälscht und zu zweiten wurde ein Signal auf einer zusätzlichen Frequenz versandt, welches allerdings nur dem Militär zur Verfügung stand. Dadurch entstanden nun zum einen der "Standard Positioning Service (SPS)" welcher allein auf der L1 Frequenz basiert und durch das SA nur eine ungenaue Positionierung möglich machte. Zum anderen gab es noch den "Precise Positioning Service (PPS)" welcher sowohl L1 sowie auch L2 nutzte und somit eine deutlich bessere Positionsbestimmung bot.
6.Einflussfaktoren
- Satellitengeometrie Unter der Satellitengeometrie versteht man Konstellation, in der sich die gerade verfügbaren Satelliten in Relation zu dem Empfänger befinden. Bei einer optimalen Verteilung der vier Satelliten über dem GPS-Empfänger und unter Vernachlässigung eines Uhrenfehlers, erhalten wird einen sauberen, exakten Schnittpunkt der Radien mit den Entfernungen zu den Satelliten. Hier eine Darstellung im zweidimensionalen Raum mit zwei Satelliten, welche sich in einer optimalen Konstellation über dem Empfänger befinden. Dadurch entsteht ein relativ kleiner Schnittpunkt (A):
Quelle: http://www.kowoma.de/gps Um eine schlechte Satellitengeometrie handelt es sich dann, wenn sich alle Satelliten in sehr kleinem Abstand zueinander befinden, bzw der Winkel zwischen ihnen und dem Empfänger recht spitz ist. Dies hat zur Folge, dass sich nun der Schnittpunkt der Radien um die Satelliten mit dem Abstand zu dem zu positionierenden Objekt nicht mehr genau definieren läßt und somit eine mögliche starke Abweichung der eigentlichen Position hervorruft. Die Grafik verdeutlicht noch einmal die schlechte Stellung der Satelliten und die daraus resultierende Ungenauigkeit im Schnittpunkt: 
Quelle: http://www.kowoma.de/gps
- Mehrwegeeffekt Da es bei der Benutzung von GPS-Empfängern durch aus einmal im Stadtbetrieb vorkommen kann, dass man sich zwischen größeren Objekten befindet, tritt in diesen Fällen oftmals der Effekt der Reflektion der Satellitensignale auf. Durch diese Ablenkung der Radiowellen legt das Signal eine weiter Strecke zurück, bis es den Receiver erreicht. Daraus entsteht eine Abweichung der Position die allerdings auch stark von dem verwendeten Gerät und dessen Antenne abhängt. Patchantennen sind hierbei zum Beispiel für solche Verfälschungen im geringeren Maße anfällig als Helixantennen. Die Abweichung bedingt durch diesen Effekt kann bis zu 2m betragen. Eine Veranschaulichung der alternativen Signalwege bei Reflektionen kann man an diesem Beispiel erkennen:
Quelle: http://www.kowoma.de/gps
- Atmosphärische Effekte Als Ionosphäre wird der Bereich zwischen 80 bis 400km Höhe bezeichnet. Dieser Teil unserer Atmosphäre unterliegt einer größeren Beeinflussung durch die Sonnen in Form von Ionenstürmen oder auch Sonnenstürmen genannt. Diese Schicht bricht und reflektiert das vom Satelliten ausgesandte Radiosignal nun je nach Aktivität der Sonne und die damit mehr oder weniger starke Bildung von Elektronen und positiven Ionen, in unterschiedlichem Maße. Eine solche Veränderung des Brechungs- und Reflektionsfaktors hat zur Folge, dass Signale unterschiedliche Strecken zurücklegen und dadurch das Ergebnis der Berechnung der Position verändern. Da allerdings Signale mit einer hohen Frequenz einer geringeren Beeinflussung unterliegen als Radiowellen mit niedrigen Frequenzen, können GPS-Receiver, welche über einen Zweifrequenz-Empfänger verfügen, eine Veränderung identifizieren und die Verzerrung des Signals der niedrigeren Frequenz berechnen und somit die Position exakter bestimmen. Da allerdings die Nutzung der zweiten Frequenz (L2) jedoch nur dem Militär vorbehalten ist, müssen zivile Geräte eine solche Veränderung der Ionosphäre mit Hilfe der Korrekturdaten von Basisstationen ausgleichen.
- Selectiv Availability Aus Angst vor der Nutzung des zivilen GPS-Signals (L1) zu terroristischen Zwecken, wurde dies künstlich verfälscht. Dies wurde durch eine Veränderung der im Signal übermittelten Satellitenzeit bewirkt, welche eine Abweichung der Berechnung um ca 50m verursachte. Außerdem wurde zusätzlich eine ungenaue Positionsangabe des Satelliten, der Ephemeridendaten, übermittelt, welche eine nochmalige Abweichung der Position des Empfängers um weitere 50 - 100m mit sich zog. Aufgrund einer immer stärkeren Nutzung des GPS-Systems in der zivilen Bevölkerung, wurde diese Verfälschung allerdings am 5.Mai 2000 aufgehoben und eine genauere Positionsbestimmung stand nun nicht mehr dem Militär alleine zur Verfügung.
Quelle: http://www.kowoma.de/gps Diese beiden Grafiken zeigen den Unterschied der Messungen ein und der selben Position mit aktiver "Selectiv Availability" und ohne dieser.
7.Das GALILEO-Satellitensystem
Das Pendant zum primären Satellitensystem des amerikanischen Militärs auf dessen Basis die ursprüngliche Technologie des GPS entwickelt worden ist, ist auf europäischer Seite das GALILEO-Satellitensystem. Grund für die Einrichtung eines eigenen Systems lag in der Unabhängigkeit und der Möglichkeit einer selbständigen Weiterentwicklung der Technologie in Form von Hard-, sowie Software. Ebenfalls war der Kostenfaktor ein nicht ausser Acht zu lassender Aspekt, da anfänglich eine genaue Positionsbestimmung nur über die kostenpflichtige Nutzung der Frequenz des PPS ( Precise Positioning Service ) möglich war. Bestehen aus 30 "Minisatelliten" , von den 27 aktiv und 3 in Reserve an der Positionsbestimmung beteiligt sind, wird jeder Punkt auf der Erdoberfläche von gleichzeitig mindestens 4 von ihnen abgedeckt um eine genaue Erfassung der aktuellen Position zu ermöglichen. Um einen größeren Abweichungsfaktor in der Positionsberechnung zu minimieren, ist jeder Satellit mit 2 Atomuhren ausgestattet. Die orbitalen Trabanten befinden sich in einer Höhe von 23600km über dem Äquator und verfügen über keine aktiven Antrieb und werden mittels Solarkollektoren, welche stets der Sonne zugewandt sind, mit ausreichen Strom für den aktiven Betrieb versorgt. Gesteuert und Überwacht werden die Satelliten über ein Netz aus Kontroll-, Sensor- und Funkstationen. Dieses Netzwerk ist ebenfalls der Kontaktpunkt für differenzbasierte Positionsbestimmungen und sendet Korrekturdaten an entsprechende Nutzer. Als Korrekturdatenformat wird in Deutschland seit 1998 RTCM-AdV verwendet. Quellenangaben:
- Föckler, Paul: Techniken zur Positions- Präsenzbestimmung (2003);
- Wübbena, Gerhard: Zur Modellierung von GNSS-Beobachtungen für die hochgenaue Positionsbestimmung, Wiss.Arb.UH Nr.239 (2001)
- Wübbena, Gerhard: Grundlagen und Begriffe des GPS
- http://www.kowoma.de
- http://www.wikipedia.de
- http://www.gpsworld.com
