Heim

Globales Navigationssatellitensystem

Ein Globales Navigationssatellitensystem (engl. Global Navigation Satellite System, GNSS) ist ein System zur Positionsbestimmung und Navigation auf der Erde und in der Luft durch den Empfang von Satellitensignalen und Signalen von Pseudoliten. Das US-amerikanische System hieß zunächst Navstar – Global Positioning System (GPS). Heute ist mit der eigentlich generischen Bezeichnung GPS weiterhin speziell dieses System gemeint. Die Sowjetunion baute 1982 ein ähnliches System auf, GLONASS (russ. ГЛОНАСС – Глобальная Навигационная Спутниковая Система, übersetzt Globales Navigations-Satelliten-System), das 2008 mit 18 Satelliten wieder voll in Betrieb sein wird und ab 2009 kommerziell genutzt werden soll. GNSS-Satelliten teilen über Funk ihre genaue Position und Uhrzeit mit. Zur Positionsbestimmung muss der Beobachter die Signale von mindestens vier unabhängigen Satelliten gleichzeitig empfangen. Werden im Empfangsgerät die vier Empfangszeiten der Satellitensignale möglichst genau gemessen, so kann die aktuelle Position und Uhrzeit des Beobachters rechnerisch abgeleitet werden.

Um die Signale mit mobilen und möglichst kleinen Empfangsgeräten (z. B. im Einsatz von Lenkwaffen) auffangen zu können, sind die Satelliten in erdnahen Orbits stationiert. Aus physikalischen Gründen ist mit der geringen Höhe über der Erdoberfläche eine Bahngeschwindigkeit verbunden, die erheblich über der Rotationsgeschwindigkeit der Erde liegt. Deshalb wird, um mindestens drei, besser vier Satelliten an jedem beliebigen Ort jederzeit zur Verfügung zu haben, eine sogenannte Konstellation von 24, besser 32 Satelliten benötigt. So lässt sich sicherstellen, dass der sich auf den Beobachter zubewegende Satellit am Horizont für das Auge unsichtbar „aufgeht“, bevor der vorangegange Satellit, vom Beobachter sich entfernend, am Horizont „untergeht“.

Stationäre Empfangsstationen verbessern die Positionsgenauigkeit, indem sie Korrektursignale (DGPS) an die Nutzer übermitteln. Satellitengestütze Zusatzsysteme, engl. Satellite-Based Augmentation Systems (SBAS), sind das europäische EGNOS, das US-amerikanische WAAS, das japanische MSAS und das indische GAGAN, die die Korrektursignale über geostationäre Satelliten abstrahlen. Das chinesische System Compass befindet sich noch im Aufbau, das indische System IRNSS noch in Planung.

Inhaltsverzeichnis

Arbeitsweise

Bei der Standortbestimmung über Satelliten misst man de facto die Laufzeit zu mindestens vier Satelliten. Theoretisch würde jede dieser Entfernungen eine Kugeloberfläche um den zugehörigen Satelliten definieren, auf der der Empfänger sich befindet. Zwei Kugeln schneiden sich in einem Kreis und drei Kugeln ergeben maximal zwei Punkte als Schnittmenge (wenn man vom Geometrischen Fall eines gleichen Radius und Mittelpunkts absieht, was in diesem technischen Kontext nicht möglich ist). Einer davon befindet sich einige tausend Kilometer von der Erdoberfläche entfernt und kann somit verworfen werden; der andere stellt die gesuchte Position des Empfängers dar. Ein vierter Satellit wird benötigt, um die Abweichung zwischen den Uhren der GNSS-Satelliten und der des Empfängers zu ermitteln und aus den gemessenen Laufzeiten herauszurechnen.

Messpraxis

Der Satellitenstandort ändert sich ständig und mit ihm die Entfernung des Satelliten zur Erde. Diese Parameter lassen sich deshalb vom Beobachter nicht direkt bestimmen. Dafür kennt der Satellit seine momentane Position, die die Bodenstation regelmäßig abgleicht. Die Entfernung vom Satelliten zum Beobachter erschließt sich aus der Signallaufzeit. Der Satellit strahlt fortwährend seine Bahndaten und ein Zeitsignal aus. Durch den Vergleich mit einer eigenen Uhr weiß der Beobachter, wie lange das Signal bis zu ihm gebraucht hat. Für eine Genauigkeit von 3 Metern muss die Zeitunsicherheit jedoch kleiner als 10 Nanosekunden sein.

Anstatt den Empfänger aber mit einer entsprechend hochgenauen Atomuhr auszustatten, leitet man die genaue Zeit aus den Zeitsignalen der Satelliten ab. Deshalb benötigt man zur Positionsbestimmung nicht nur drei, sondern vier Satelliten, um die drei Raumkoordinaten (x, y, z) im verwendeten Koordinatensystem (z.B. WGS84) und die genaue Zeit zu ermitteln. Aus den Raumkoordinaten können dann die geographische Länge, geographische Breite und die Höhe über dem definierten Referenzellipsoid berechnet werden. Zu beachten ist jedoch, dass die verwendeten Koordinatensysteme von anderen gängigen Koordinatensystemen abweichen können, so dass die ermittelte Position von der Position in vielen, insbesondere älteren Landkarten bis zu einigen hundert Metern abweichen kann. Auch die per GNSS ermittelte Höhe und die Höhe „über dem Meeresspiegel“ (Geoid) können um etliche Meter abweichen.

Messfehler

Wie bei der Triangulation sollte das Volumen der Pyramide, die die Satelliten mit dem Beobachter an der Spitze aufspannen, möglichst groß sein; ansonsten verringert sich die erreichbare Positionsgenauigkeit (Dilution of Precision (DOP)). Befinden sich die Satelliten mit dem Empfänger in einer Ebene, das heißt vom Beobachter gesehen scheinbar auf einer Linie, ist keine Ortsbestimmung möglich. Eine solche Konstellation tritt jedoch praktisch nie auf.

Die Atmosphäre verändert die Signallaufzeit. Anders als bei der Troposphäre ist der Einfluss der Ionosphäre frequenzabhängig. Er lässt sich teilweise korrigieren, wenn der Empfänger Signale auswertet, die der Satellit auf unterschiedlichen Frequenzen sendet.

Folgende Messfehler beeinflussen die Positionsgenauigkeit:

Quelle Zeitfehler Ortsfehler
Satellitenposition 6–60 ns 1–10 m
Ionosphäre 0–180 ns 0–90 m
Troposphäre 0–60 ns 0–10 m
Mehrwege-Effekt 0–6 ns 0–1 m
Zeitdrift 0–9 ns 0–1,5 m

Die Genauigkeit nimmt zu, wenn mehr als 4 Satelliten empfangen werden können. Diese Messung wird dann überbestimmte Ortung genannt. Wenn die Messung nicht zeitkritisch ist, lassen sich die Fehler nachträglich durch Vergleich mit Referenzmessungen weiter verringern; durch die Verwendung von Differential-GPS (DGPS) kann dies auch in Echtzeit geschehen.

Wertet man außerdem noch die Phasen der Satellitensignale aus, lassen sich auch dynamisch relative Genauigkeiten von wenigen Zentimetern erreichen.

Bezeichnungen

Die militärischen Systeme GPS der USA und das russische GLONASS nennt man Systeme der ersten Generation. Nach der Aufrüstung mit neuen Satelliten steht das GPS der zweiten Generation voraussichtlich bis 2012 zur Verfügung. Es wird mit Galileo vergleichbar sein, das ebenfalls zur zweiten Generation zählen wird. Im ESA-Sprachgebrauch steht GNSS-1 für die ursprünglichen Systeme GPS und GLONASS, GNSS-2 für Galileo und Systeme der zweiten Generation.

Mit dem Begriff GPS III wird die komplette Überarbeitung aller Systembestandteile bezeichnet. Diese Neukonzeptionierung wird bis zum endgültigen Aufbau der zweiten Generation dauern und Qualitätsverbesserungen in vielen Bereichen zur Folge haben.

 Wiktionary: Satellitennavigation – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik

Siehe auch