GPS TECHNOLOGIE

Einführung

Das Global Positioning System (kurz GPS) ist ein vom Verteidigungsministerium der USA erfundenes und betriebenes, satellitengestütztes, elektronisches Navigationswerkzeug für den weltweiten Einsatz zur Positionsbestimmung.

Der Ort des Empfängers wird mit Hilfe der Entfernung zu mehreren Satelliten bestimmt. Ein Satellit reicht dabei nicht aus.
Die Entwicklung hatte zunächst rein militärische und verteidigungspolitische Hintergründe. Im Laufe der Zeit wurde aber ein Teil des Systems auch zivilen Zwecken zur Verfügung gestellt.
Heute findet es in vielen Bereichen des täglichen Lebens Einsatz:: in der Seefahrt, Luftfahrt, im Auto, zur Orientierung im Outdoor-Bereich, im Vermessungswesen, im Leistungssport (insb. Rad-, Lauf- und Reitsport) und sogar in der Landwirtschaft um die Position der Maschinen auf dem Acker zu bestimmen.

Der eigentliche Name des Systems ist NAVSTAR (Navigation System for Timing and Ranging), bekannt ist es aber nur als GPS (Global Positioning System).

Das GPS-System lässt sich grundsätzlich in drei wichtige Segmente gliedern: [1]
1) Weltraumsegment (Satelliten)
2) Kontrollsegment (Kontrollstationen)
3) Benutzersegment (GPS-Empfänger)

1)
Das GPS-Sytem besteht aus 24 Satelliten, die die Erde in 12 Stunden umkreisen und die gesamte Erde 'überwachen'. Der erste dieser Satelliten wurde bereits 1978 in seine Umlaufbahn gebracht. Es entwickelten sich im Laufe der Zeit fünf verschiedene Typen der Satelliten: Block I, Block II, Block IIA, Block IIR und Block IIF. Die Block I-Satelliten dienten nur der Erprobung des Systems und wurden zwischen 1978 und 1985 gestartet. Sie sind mittlerweile alle außer Betrieb.

Der erste Block II-Satellit wurde 1989 gestartet. Im Jahr 1990 wurde der erste Block IIA-Satelit (A steht für advanced) in seine Umlaufbahn gebracht. Die weitere Entwicklung der Satelliten zu IIR und IIF hatte eine immer genauere Funktionsweise und Positionsbestimmung zur Folge.

Im Vergleich zu Fernsehsatelliten (100 Watt), beträgt die Abstrahlungsleistung der GPS-Satelliten maximal 50 Watt. Aufgrund der verwendeten hohen Frequenz der Satelliten können die Signale weder Wände noch Wasser durchdringen und auch starker Schneefall führt zu Abschwächung des Signals.

Die Satelliten umkreisen die Erde mit 3,9 km pro Sekunde. Die mittlere Entfernung vom Erdmittelpunkt beträgt 26.560 km.
Die GPS-Satellitenbahnen befinden sich in sechs Ebenen. Durch eine besondere Anordnung der Bahnen (Inklination der Ebenen um 55°; in Äquatorebene um jeweils 60° gegeneinander versetzt) wird vermieden, dass sich zu viele Satelliten über den Polen befinden und sie führt zu einer relativ stabilen Konstellation, da Störfaktoren im Mittel auf alle Satelliten gleich einwirken.

Die Anzahl und Anordnung der Satelliten hat zur Folge, dass immer mindestens vier Satelliten überall auf der Welt zu jeder Zeit empfangen werden können.
Jeder GPS-Satellit hat zwei Cäsium- und zwei Rubidium-Atomuhren, deren Geanauigkeit höchstens eine Sekunde in 160.000 Jahren abweicht. [2]

2)
Die Kontrolle über das GPS-System liegt vollständig in der Hand der US-Armee. Zur 'Master Control Station' und den vier Monitorstationen auf Hawaii, den Ascension Islands, Diego Garcia und Kwajalein, kamen 2005 noch weitere sechs Monitorstationen der NGA (National Geospatial-Intelligence Agency) hinzu.

3)
GPS-Satellitenempfänger wurden im Laufe der Jahre immer mehr verbessert und auch verkleinert. Alle heute verbreiteten Geräte haben mindestens 12 Kanäle, d.h. sie können Daten von bis zu 12 Satelliten gleichzeitig verarbeiten und auswerten. Ältere Geräte mussten die Verarbeitung und Auswertung nacheinander ausführen. Dadurch waren sie wesentlich langsamer und ungenauer.

Positionsbestimmung

Die GPS-Satelliten senden kontinuierlich Daten, wie z.B. ihre Satellitennummer, ihre Position und den Zeitpunkt des Absendens, die von entsprechenden Empfängern überall auf der Welt empfangen werden können. Dieses Signal wird nun dazu verwendet, um die exakte Position zu berechnen. Hierzu vergleicht der Empfänger die Zeit, zu der das Signal ausgesendet wurde mit der Zeit, zu der das Signal empfangen wurde. Aus dieser Zeitdifferenz kann nun die Entfernung des Satelliten berechnet werden und bestimmt die Position des Nutzers auf einer Kugeloberfläche genau. Wird das Signal eines zweiten Satelliten hinzugenommen, so kann die Position nur noch auf der Schnittmenge zweier Kugeloberflächen, einem Kreis liegen. Ein dritter Satellit und der damit verbundene Schnitt dreier Kugeloberflächen, ermöglicht die sichere Positionierung des Nutzers. Der Schnitt von drei Kugeloberflächen führt meistens zu zwei Schnittpunkten, jedoch liegt der zweite Schnittpunkt weit im Weltraum und kommt somit nicht als Position in Frage.[1] [3]

Man unterscheidet '2D position fix' (zweidimensionale Positionsbestimmung) und '3D position fix' (zusätzlich wird noch die Höhe über der Erdoberfläche bestimmt). Theoretisch bräuchte man für eine 2D-Positionsbestimmung zwei Satelliten und für eine 3D-Bestimmung drei. Jedoch wird in diesem Fall das kritische Problem der Zeitmessung außer Acht gelassen, sodass bei der 2D Positionsbestimmung beispielsweise der Ort eines Empfängers durch (x,y)- Koordinaten und einer zusätzlichen dritten Dimension, der Zeit, bestimmt werden muss. [2]

Jeder Satellit verfügt über eine Atomuhr, die absolut genau funktioniert. Der kritische Punkt ist jedoch die Uhr des Empfängers, der nicht mit einer solch präzise funktionierenden Atomuhr ausgestattet werden kann. Zur Lösung des 'Zeitproblems' wird daher ein weiterer Satellit für die Positionsbestimmung hinzugenommen.
Für eine 2D-Positionsbestimmung werden also mindestens drei Satelliten benötigt, um den genauen Standpunkt des Nutzers zu ermitteln (bei der 3D-Postitionsbestimmung sind es dann vier Satelliten die benötigt werden).

Die Art, wie Positionen bestimmt werden und wie genau diese bestimmt werden hängt vor allem von den von den Satelliten ausgesendeten Signalen ab.
Wichtig ist zunächst die Unterscheidung zwischen zwei Diensten:
Der Precise Positioning Service (PPS) ist verschlüsselt und kann nur vom US-Militär und ausgewählten zivilen Nutzern genutzt werden. Der Standard Positioning Service (SPS) steht hingegen für die gesamte zivile Bevölkerung zur Verfügung. [2]

Jeder Satellit sendet kontinuirlich Signale mit ca. 20 W aus, wobei sich zwei Frequenzen als geeignet herausgestellt haben:
1) L1 mit einer Frequenz von 1575,42 MHz für PPS und SPS
2) L2 mit einer Frequenz von 1227,6 MHz ausschließlich für PPS

Momentan ist eine L5-Frequenz im Aufbau. Sie soll die Robustheit des Empfangs weiter verbessern und ist vor allem für die Luftfahrt vorgesehen. [1]

Die Modulation der Trägersignale geschieht zum einen mit dem C/A Code (Coarse aquisition; grobe Bestimmung) und zum anderen mit dem P (precise code) bzw. Y Code.
Der C/A Code ist 1023 'chip' lang und ist ein pseudozufälliger Code (PRN - pseudo random code), der jedoch für jeden der Satelliten eindeutig festgelegt ist. Er wiederholt sich nach jeweils 1023 bit bzw. einer Millisekunde. Der C/A Code ist die Basis für alle zivilen GPS-Empfänger.

Der P Code (precise code) ist hingegen ein sehr langer 10,23 MHz Pseudozufallscode für die militärische Nutzung.
Er kann verschlüsselt übertragen werden um sich gegen mögliche Störsignale eines Feindes abzusichern. Der P-Code wird demnach mit Hilfe des Anti-Spoofings (AS) in einen Y-Code verschlüsselt. Zur Entschlüsselung benötigt der Empfängerkanal ein spezielles AS-Modul und ist nur für autorisiertes Personal mit Schlüssel zugänglich. Der P bzw. Y Code sind die Basis für die präzise militärische Positionsbestimmung.

Im GPS-System werden die Daten mit der relativ wenig verbreiteten Phasenmodulation auf das Trägersignal aufmoduliert.

Aufbau des Datensignals

Zum C/A-Code wird zusätzlich noch die Navigationsnachricht in das L1-Signal hineinmoduliert. Sie enthält Daten wie die Satellitenbahnen, Uhrenkorrekturen und andere Systemparameter. Diese Daten werden ständig von jedem Satelliten übermittelt und daraus erhält der GPS-Empfänger sein Datum, die ungefähre Uhrzeit und die Positionen der Satelliten.

Das GPS-Datensignal (1500 bits) wird alle 30 Sekunden (1 Bit jede 20 ms) gesendet. Jedes Frame besteht aus 5 Teilblöcken. Der erste Teilblock enthält die Abweichung der GPS-Zeit von der 'Universal Coordinated Time (UTC)'. Diese Korrektur kann ein GPS-Empfänger verwenden um die UTC auf eine Genauigkeit von +- 100ns zu setzen. [2]
Neben diesen Uhrenkorrekturwerten enthält der erste Teilblock, genauer gesagt das TLM (telemetry word), Informationen zur Aktualität der Ephemeridendaten (momentanen Satellitenposition). Das HOW (hand over word), enthält die Anzahl der gezählten Z-Epochen. Diese Daten enthalten die Zeit seit dem letzten 'Neustart' der GPS-Zeit vom jeweils vorherigen Sonntag 0:00 Uhr. Mit Hilfe des HOW-Signals können militärische Empfänger den Einstieg in den P-Code finden. [1]

Der zweite und dritte Teilblock enthalten noch zusätzliche Parameter der Ephemeriden. Die Teilblöcke 4 und 5 hingegen beinhalten die sog. Almanachdaten, die Informationen über die Bahnparameter aller Satelliten enthalten. Aus diesen Daten kann der GPS-Empfänger sehen, welche Satelliten an der momentanen Position zu erwarten sind und beschränkt seine Suche auf diese wodurch eine schnellere Postionsbestimmung ermöglicht wird. [1]

Insgesamt besteht das Datensignal aus 37500 bit und ist in insgesamt 25 Blöcke (frames) unterteilt. Diese Blöcke sind wiederum in Teilblöcke unterteilt, welche ihrerseits in je 10 Worte untergliedert sind.

FEHLERQUELLEN BEI GPS

Eine der größten Fehlerursachen war bis ins Jahr 2000 die sogenannte 'selective availability' (SA). Mit diesem System wurde das SPS-Signal künstlich verfälscht, um eine genauere Messung von anderen Streitkräften zu verhindern. Es veränderte zufällig die ausgesandten Uhrzeiten der Satelliten und verfälschte die Bahninformationen.
Durch Abschaltung der SA kann nun auch eine Höhenbestimmung über GPS durchgeführt werden.

Ein weiterer Faktor, der die Genauigkeit der Positionsbestimmung beeinflusst ist die 'Satellitengeometrie'. Wenn ein Empfänger z.B. vier Satelliten empfängt und alle vier sind nur im Nordwesten, so ergibt sich daraus eine schlechte Geometrie, oder es kommt sogar keine Positionsbestimmung zustande. Sind hingegen die vier Satelliten möglichst gut über den gesamten Himmel verteilt, so wird die Positionsbestimmung sehr genau. Solche Fehler treten eher selten auf.

Durch Gravitationskräfte kann es auch zu leichten Schwankungen der Umlaufbahnen kommen. Sonne und Mond können die Bahnen geringfügig beeinflussen. Die Bahndaten werden jedoch regelmäßig kontrolliert und korrigiert. Der resultierende Fehler mit ca. 2 Metern bleibt sehr gering.

Der Mehrwegeeffekt kommt durch die Reflektion der Satellitensignale an Objekten zustande. Dieser Effekt tritt besonders stark durch Reflektion an hohen Gebäuden auf. Das reflektierende Signal braucht länger, um zum Empfänger zu gelangen als das direkt empfangene Signal. Auch hier liegt der resultierende Fehler bei wenigen Metern.

Atmosphärische Effekte zählen auch zu den Fehlerquellen. Während sich Signale im Weltall mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, breiten sich diese in der Ionospähre und in der Troposphäre mit geringerer Geschwindigkeit aus. Diese Fehler werden zum Großteil im Empfänger durch Berechnungen kompensiert.

Eine weitere Fehlerquelle ist die Ungenauigkeit der Empfänger-Uhr, trotz der Synchronisierung der Uhr während der Positionsbestimmung auf die Zeit der Satelliten. Und auch Rundungs- und Rechenfehler der Empfänger können zu etwa 1 Meter Ungenauigkeit führen. [1]

Erreichbare Genauigkeit

Die erreichbare Genauigkeit hängt im Wesentlichen ab von:

• der Nummer von GPS Satelliten in Sichtweite des Empfängers,
• dem Design des GPS-Empfängers,
• Objekten die den Empfang der Signale beeinflussen können,
• anderen Faktoren. [3]

Ein typisches GPS-Gerät für die zivile Nutzung, das nur unverschlüsselte, frei verfügbare GPS-Signale empfangen kann, arbeitet heutzutage mit einer Genauigkeit von bis zu wenigen Metern (um die 15 Meter). Teure GPS Empfängersysteme (für Landvermessung, u.ä) erreichen hingegen schon Genauigkeiten im Zentimeter-Bereich und kommen den militärischen Empfängern sehr nahe.

Mit Hilfe einer neuen Technik können jedoch auch zivile Empfänger Genauigkeiten von unter 5 Metern erreichen. Diese Technik nennt sich Differenzielles GPS (DGPS), wo ein zweiter stationärer GPS-Empfänger zur Korrektur der Messung des ersten eingesetzt wird.

• Genauigkeit des ursprünglichen GPS-Systems mit aktivierter SA +- 100 Meter
• Positionsgenauigkeit ohne SA +- 15 Meter
• DGPS-Genauigkeit +- 3 bis 5 Meter
• Genauigkeit mit aktiviertem WAAS/EGNOS +- 1 bis 3 Meter [1]

Kurzer Geschichtlicher Rückblick [1]

• 1973: Beschluss zur Entwicklung eines Satellitennavigationssystems der U.S. Air Force und der U.S. Navy.
• 1974-1979: Die ersten Systemtests wurden durchgeführt .
• 1977: Erste Empfängertests noch bevor die ersten Satelliten im Weltraum waren.
• 1978 - 1985: Start von insgesamt elf Block I Satelliten.
• 1980: Start des ersten Block I Satelliten mit Sensoren zur Erkennung von Atomexplosionen nachdem 1963 zwischen den USA und der Sowjetunion ausgehandelt wurde, keine Atomtests mehr überirdisch, unter Wasser oder im Weltraum durchzuführen
• 1979: Beschluss das GPS System komplett auszubauen. Zunächst sollten nur 18 Satelliten in Betrieb gehen, 1988 wurde aber wieder auf die 24 ursprünglich geplanten Satelliten zurückgegangen, da die Funktionalität nicht zufriedenstellend war.
• 1980- 1982: Die Finanzierung des Systems war immer wieder gefährdet, da der Nutzen nicht erkennbar war.
• 1983: Das GPS-System steht nun auch für die zivile Nutzung zur Verfügung, nachdem ein ziviles Flugzeug über der Sowjetunion abgeschossen wurde.
• 1989: Der erste Block II Satellit wurde 'installiert' und aktiviert.
• 1990-1991: Zeitweise Abschaltung der SA (selective availability) während des Golfkrieges um zivile Empfänger nutzen zu können, da zu wenig militärische Empfänger verfügbar waren. Am 01.07.1991 wurde die SA wieder aktiviert.
• 08.12.1993: Das GPS-System wird für die weltweite zivile kostenlose Nutzung freigegeben.
• März 1994: Der letzte Block II Satellite komplettierte die Satellitenkonstellation.
• 17.07.1995: Volle Betriebsbereitschaft (Full Operational Capability, FOC).
• 01.05.2000: Endgültige Abschaltung der SA und damit Erhöhung der Genauigkeit für zivile Nutzer von ca. 100 m auf 15 m.
• 20.03.2004 Start des fünfzigsten GPS-Satelliten.
• 25.09.2005 Start des ersten Satelliten des Typs IIR-M. Dieser Satellit unterstützt als erster die neuen militärischen M-Signale und das zweite zivile Signal L2C.

Quellenangaben:

[1] GPS - Infos
http://www.kowoma.de/gps (Stand: 30.01.2007)

[2] Ravi Prakash, Roberto Baldoni; Causality and the Spatial–Temporal Ordering in Mobile Systems; 2004 Kluwer Academic Publishers.
https://docweb.lrz-muenchen.de/cgi-bin/doc/nph-webdoc.cgi/000110A/http/delivery.acm.org/10.1145/1030000/1027353/p507-prakash.pdf

[3] Dr. Henry M. Beisner, Jack G. Rudd, Robert H. Benner; Real-time APL Prototype of a GPS System
https://docweb.lrz-muenchen.de/cgi-bin/doc/nph-webdoc.cgi/000110A/http/delivery.acm.org/10.1145/260000/253375/p31-beisner.pdf