GPS - Global Positioning System

Bestimmt haben Sie schon von GPS gehört. Es bedeutet übersetzt, Globales Positionierungssystem und ist ein auf Satellitennavigation basierendes System zur Bestimmung eines Standortes.

24 Satelliten umkreisen in 6 Bahnebenen zu je 4 Stück die Erde. Jede Ebene weist gegenüber dem Äquator eine Neigung von 55° Grad auf. Eine Erdumkreisung dauert dabei rund 11 Stunden und 56 Minuten. Man kann sich aus dieser Konstellation einen Käfig um die Erde vorstellen, der gewährleistet, daß zu jeder Zeit an jedem Ort (ausgenommen der Polkappen) mindestens 4 Satelliten empfangen werden können.

Was bedeutet nun empfangen: jeder Satellit sendet für zivile Zwecke auf einer Frequenz von 1575,42 MHz (= "L1"-Träger, Wellenlänge 19,04cm) ein kodiertes Signal aus. Als senderseitige Voraussetzung für eine korrekte Übertragung ist den abgstrahlten Signalen die Information über den Standort des Satelliten und der Zeitpunkt der Aussendung "aufgeprägt". Wenn Ihnen nun die Laufzeit dieses Signals zwischen Sender und Empfangsstelle bekannt ist, läßt sich über die Ausbreitungsgeschwindigkeit die Entfernung zum Satelliten ermitteln.

Aus einer bestimmten Entfernung ergäbe sich allerdings eine unendliche Anzahl von möglichen Punkten auf einer Kugelform mit dem Satelliten als Mittelpunkt. Empfangen sie ein zweites Signal von einem differenten Sender, so sind es nur noch mögliche Punkte entlang einer Schnittkurve aus den beiden Kugeln. Setzt man drei Signale miteinander in Beziehung, so ergeben sich zwei Punkte, wobei jedoch nur einer in dem oben genannten Käfig liegt, und somit gültig ist. Gültig, ist allerdings noch kein Maß für die Genauigkeit dieses ermittelten Punktes. Diese hängt von verschiedenen Faktoren ab. Einmal vom "Guten Willen" des Betreibers (Amerikanisches Militär) und weiters von der Position der empfangenen Satelliten zueinander. Befinden sich drei Satelliten, um 120° zueinander versetzt, entlang des Horizontes und einer in einer Elevation von etwa 75° (0°=Horizont, eine vierte Bezugsquelle ist für die Höhenbestimmung notwendig), so ist diese Konstellation ideal. Die vier Himmelskörper schließen, verbindet man sie untereinander, ein bestimmtes Volumen ein. Der reziproke Wert dieses Volumens ist der PDOP-Wert (position dilution of precision) und ein Maß für die Qualität der Empfangssignale.

Wenn nun hier von Qualität gesprochen wird, so ist bei normalen GPS-Empfängern und niedrigem PDOP eine Genauigkeit von +/- 25m bis 50m zu erwarten.

Diese Werte sind für Handempfänger, welche für Freizeitaktivitäten wie wandern, radfahren oder auch als Navigationsmittel im Straßenverkehr verwendet werden ausreichend. In der Luftfahrt hätte man damit auch ein auslangen, wenn man nicht Satellitennavigation als Alternative zu dem bewährten ILS-Anlagen (Instrumentenlandesystem) verwenden wollte. Stellen Sie sich vor, ein Flugzeug fliegt einen Flugplatz im dichten Nebel an und ist vor dem  Aufsetzpunkt um 50 Meter niedriger, als es das GPS dem Piloten anzeigt. Das Flugzeug würde zu früh am Boden aufsetzen, die Folgen wären ein Crash.

 

Hohe Genauigkeit mit  Differential GPS:

Um nun Präzisionsanflüge zu ermöglichen, hat man folgendes System entwickelt: Man stellt an einen Flugplatz einen hochpräzisen GPS-Empfänger auf, die ACG betreibt einen solchen 12 Kanal Empfänger in Rauchenwarth, und läßt diesen ständig den Unterschied zu einem von einem Geometer vermessenen Referenzpunkt errechnen. Dieses "Korrektursignal" oder "Differenzsignal" stellt man nun auf einer verlautbarten UKW-Frequenz zur Verfügung. GPS-Empfänger haben nun einen Dateneingang für solche Differenzsignale und rechnen sich nun eine virtuelle Position aus. Geht man davon aus, daß zwei GPS-Empfänger, welche unmittelbar nebeneinander stehen, die gleiche räumliche Position durch die Satelliten empfangen, dem einem jedoch die Differenz zwischen wirklicher und errechneter Position bekannt ist und diese dem anderem als Korrektursignal zur Verfügung stellt, so erreicht der Empfänger eine theoretische Genauigkeit von 0 Metern. Nur theoretisch, da ja auch die "Differenzstation" einer gewissen Rechenungenauigkeit unterliegt. Diese relative Ungenauigkeit und die Abhängigkeit von einem Dritten (der Betreiber kann über eine Zeitverstellung in Satelliten über einer bestimmten Position der Erde die Genauigkeit des Systems auf unendlich steigern, Beispiel Golfkrieg; GPS war dort für zivile Zwecke nicht verfügbar) machen selbst das Differential-GPS System als Ersatz für ILS-Anlagen indiskutabel.

 

Ing. Michael Strümpl