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Was ist GPS / GNSS

was ist gps

Globales Positionierungs System

 BESTIMMUNG DER POSITION

GPS ist eine Technik, die es ermöglicht zu jeder Zeit, an jedem Ort auf der Erdoberfläche die Position zu ermitteln.

raute AMERIKANISCHER BETREIBER

GPS wird vom amerikanischen Ministerium für Transport betrieben und untersteht dem amerikanischen Militär.
Über die Zeit hat sich GPS als Synonym für diese Technik durchgesetzt. Genauso wie statt Papiertaschentuch „Tempo“ oder für einen Kleber „UHU“ in der Umgangssprache verwendet wird.

raute GLONASS (RUSSLAND), GALILEO (EUROPA)

Es gibt weitere Systeme, die genauso wie GPS eine Positionierung erlauben. Da wären:
GLONASS: Eine russische Entwicklung, die schon seit Jahren aktiv ist.
Galileo: Die europäische Antwort auf GPS. Es wird erwartet, das dieses System bis zum Jahr 2015 einsatzfähig sein wird.
Es gibt weitere Systeme, die sich noch im Aufbau befinden:
COMPASS, das aktuell nur in China funktioniert und
IRNSS, das regional für Indien erbaut wird.

raute GNSS

Der eigentliche Begriff für alle Satellitennavigationssysteme ist GNSS:

Globale Navigations Satelliten Systeme.

Aber wie schon gesagt, in der Umgangssprache hat sich GPS durchgesetzt.

Wie funtioniert das?


GPS Wie funktioniert das?

Die Satelliten werden als bekannte Punkte im All betrachtet. Die Satelliten sind zwischen 20.000 und 26.000 km vom Empfänger entfernt und sind somit anders als im Schaubild nicht direkt sichtbar.
Die Satelliten senden Signale aus, die eine Empfängerantenne auf der Erdoberfläche empfängt und auswertet.
Wie in diesem Bild gezeigt, profitieren viele Anwendungen von dieser Technik:
Einerseits der Vermesser links im Bild, aber auch der Arbeiter zur Kanalaufnahme – rechts – ermittelt die Position per GPS. Das Flugzeug findet auch bei schlechten Sichtbedingungen seinen Flughafen. Ein Schiff auf dem Fluß kann auch nachts dem Flußverlauf folgen. Und wie für alle bekannt, der Autofahrer findet ohne Stress und Sucherei die richtige Adresse.

Aber wie funktioniert das im Detail?

Eigentlich …


Eigentlich

MASSBAND AUS DEM ALL

Die Position des Satelliten ist bekannt. Alle Satelliten im All sind in einem weltumspannenden Koordinatensystem erfasst. Dieses Koordinatensystem wird als WGS84 (World Geodetic System von 1984) bezeichnet.

Die Satelliten senden Signale – die sogenannte Trägerwelle – aus. Auf dieser Trägerwelle befinden sich binäre Informationen, aus denen der Empfänger die Koordinaten des Satelliten und die Absendezeit bestimmen kann.
Da der Empfänger die Zeit des Empfangs mit seiner eingebauten Uhr festhalten kann, ist der Abstand zwischen Antenne und Satellit berechenbar. Empfangszeit – Absendezeit=Zeit, die das Signal benötigt hat, um den Empfänger zu erreichen: Die Laufzeit.
Die Laufzeit multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit ergibt die Strecke zwischen Satellit und Antenne.

Übrigens benutzen Sie fast täglich eine ähnliche Konstruktion um einen Entfernung zu bestimmen:
Einen Meterstab !!
Die Trägerwelle entspräche hier dem Holz und die binären Zeichen entsprächen der Millimetereinheit auf dem Holz, die man ja auch als Strichcode bezeichnen könnte…

Um die Strecke genau genug bestimmen zu können, werden viele technische Kniffe benutzt. Uns geht es hier aber um das Grundprinzip.

… ganz einfach!


bogenschlag

UND WIE BEKOMME ICH JETZT EINE POSITION?

Gehen wir zurück in die Schulzeit. Mathematik. Geometrieunterricht…
Wir haben von bekannten Punkten mehrere Strecken und sollen den Schnittpunkt ermitteln.

EIN MEHRFACHER BOGENSCHLAG

Man nehme einen Zirkel, stelle die Entfernung ein und zeichne einen Kreisbogen. Wenn man mehrere Kreisbögen gezeichnet hat, ergibt sich ein Schnittpunkt: Unsere gesuchte Position.

Wir haben hier in diesem Beispiel bewusst 4 Satelliten gezeichnet.
Warum? Mit 3 Strecken kann ich doch meine Position in x, y, und z bestimmen. Oder?

Ja, gewiss. Wir haben jedoch außer Betracht gelassen, dass die Zeit, um die Laufzeit berechnen, sehr genau sein muss. Auf den Satelliten arbeiten aus diesem Grund Atomuhren. Man könnte das Problem elegant nutzen, wenn solche Uhren ebenfalls in GPS Empfängern eingebaut wären. Aber dass wäre der Anfang vom Ende einer kommerziellen Nutzung gewesen. Solche Empfänger hätte sich kaum jemand leisten können.

Jedenfalls kommen in den Empfängern „normale“ Quarzuhren zum Einsatz. Diese sind aber nicht genau genug. Was nun? Da die Uhren der Satelliten miteinander synchronisiert werden, ist der Fehler, der durch diese ungenaue Zeitmessung entsteht, immer gleich.
Also wieder zurück zum Mathematikunterricht. Fügen wir den Zeitfehler als weitere Unbekannte zu unseren 3 Positionswerten hinzu, erhalten wir jetzt 4 Unbekannte.
Somit benötigen wir 4 Gleichungen um diese 4 Unbekannten Werte zu bestimmen.
Wir merken uns: Mit 4 Satelliten ist eine Position mit einer vertretbaren Genauigkeit zu bestimmen.

Da kommen wir zur nächsten wichtigen Frage: Wie genau ist GPS?

Wie genau ist GPS?


wie genau ist GPS

Je nach Anzahl der empfangenen Satelliten und der Geometrie der Satelliten zueinander kann man Genauigkeiten im Bereich von ± 10 Meter in X und Y (Lage) und ± 15 Meter in Z (Höhe).

Und was erschwerend hinzukommt: Die Position ist nicht fixiert, sonder „springt“. Da sich die Satelliten mit ca. 4 km pro Sekunde bewegen, ergibt sich dauernd ein neues Ergebnis für die Positionsberechnung.
Das kann dann so aussehen wie in der Grafik. Es ist zwar ein Schwerpunkt der Messung sichtbar, aber die Position ist immer in Bewegung.

Warum ist das so?

Warum nicht genauer I ?


Warum nicht genauer I ?

Das Signal ist im Weltall ohne Wiederstand unterwegs. Sobald es aber auf die Erdatmosphäre trifft, wird es beeinflusst. Ja, man kann getrost sagen, es wird gestört.

Und jede Störung ergibt eine Verfälschung der Laufzeit und somit der Entfernung.

Welche Einflüsse gibt es da?

Warum nicht genauer II ?


Warum nicht genauer II ?

Die Phasensprünge: Das Signal wird kurzzeitig abgeblockt, z.B. eine Satellit steigt am Horizont hoch und ein Baum verdeckt durch seine Äste und Blätter immer wieder kurzfristig das Signal. Somit fehlen dem Empfänger bestimmte Teile des Signals und er berechnet eine zu kurze Strecke.

Das Gegenteil dazu ist die Mehrwegsausbreitung (in der Fachsprache Mulitpath) erzeugt durch Reflexionen auf Fensterflächen, Gewässer und anderen Oberflächen eine Verlängerung der Laufzeit. Das Ergebnis wird verfälscht und die Strecken werden zu lang.

Abschattung nennt man die Situation wenn die Signale nicht auf die Antenne treffen können, da diese sich hinter Gebäuden oder unter Bäumen oder ähnliches befindet. Eine totale Abschattung hat man in einem Tunnel und in den meisten Gebäuden.

Die Atmosphärischen Einflüße lenken das Signal unterschiedliche ab und haben somit einen ähnliche Auswirkung wie Multipath.

Das Stören der Frequenz kann zu einem Totalausfall der Positionsbestimmung führen. Dies kann in Umkreis von Schutzbereichen eingesetzt werden um eine Bedrohung auszuschließen. Auch in militärischen Bereichen wird diese Technik eingesetzt.

Wenn die Genauigkeit nur um die 10 Meter beträgt und alle diese Einflüße einen Messung verfälschen, wie läßt sich dann GPS für die Vermessung verwenden?

Geht’s nicht präziser I ?


Geht's nicht präziser I ?

Ja, mit einer Methode, die sich DGPS – Differentielles GPS – nennt.

Wie funktioniert das?

WIR ERMITTELN DEN FEHLER!

Dafür stellen wir einen GPS Empfänger exakt auf einen Punkt, von dem wir genau wissen welche Position er hat. Diese vergleichen wir mit der berechneten Position. Dadurch daß das System sehr weiträumig arbeitet, ist der Fehler in einem Bereich von ca. 100 x 100 km identisch!
Somit wissen wir, welcher Fehler in jeder Sekunde bei jeder Messung vorherrscht. Damit können wir bei einem weiteren Empfänger, der zur selben Zeit im Umkreis dieser BASIS Messung durchführt, verbessern. Dieser 2. Empfänger, der bewegt wird, wird im Fachjargon ROVER genannt. Und es können mehrere Empfänger gleichzeitig als Rover eingesetzt werden, da der Fehler bzw. die Verbesserungen ja für alle gleich sind.

Geht’s nicht päziser II ?


Nachträgliche Verbesserung (PostProcessing) Hierbei werden auf einer bekannten Station GPS Daten aufgezeichnet. (Basis) Mit einem 2. Empfänger werden die zu vermessenden Daten ermittelt. (Rover) Die Daten beider Empfänger werden in einer Software zusammengeführt. Der Fehler der auf der Basis berechnet wird, wird an den neu gemessenen Punkten verbessert. Basisdaten werden heute von Serviceanbieter über das Internet angeboten (Entfall des Basisempfängers) Genauigkeitssteigerung je nach Empfängertyp bis in den mm-Bereich WIE WIRD DIESE ANBRINGUNG DER VERBESSERUNG IN DER PRAXIS GELÖST ? Dazu gibt es zwei Arten. Die eine ist die sogenannte PostProcessing Lösung. Also die Berichtigung nach der Messung. Dazu stellt man - wie soeben besprochen - einen Empfänger auf eine bekannte Position. Ein weiterer Empfänger wird für die Aufnahme der Daten verwendet. Beide Empfänger speichern alle Daten auf ein Speichermedium. Dieses werden an einem Rechner zusammengeführt und die Fehleranteile heraus gerechnet. Es gibt heute auch Serviceanbieter, die die Daten einer Basis zur Verfügung stellen oder sogar die komplette Berechnung der Daten übernehmen. Diese Messung ist die genaueste Messung, die mit GPS Empfängern durchgeführt werden kann, da nachträglich auf noch weitere Informationen der Satellitenbahnen mit verwendet werden können. VORTEILE DIESER ART: Sehr genaue Ergebnisse GPS Empfänger sind günstiger und leichter NACHTEILE: Ergebnisse stehen erst nach der Messung zur Verfügung Genauigkeit der Messungen liegt auch erst nach der Berechnung vor Lange Messzeiten

Nachträgliche Verbesserung (PostProcessing)

  • Hierbei werden auf einer bekannten Station GPS Daten aufgezeichnet. (Basis)
  • Mit einem 2. Empfänger werden die zu vermessenden Daten ermittelt. (Rover)
  • Die Daten beider Empfänger werden in einer Software zusammengeführt.
  • Der Fehler der auf der Basis berechnet wird, wird an den neu gemessenen Punkten verbessert.
  • Basisdaten werden heute von Serviceanbieter über das Internet angeboten (Entfall des Basisempfängers)
  • Genauigkeitssteigerung je nach Empfängertyp bis in den mm-Bereich

 

WIE WIRD DIESE ANBRINGUNG DER VERBESSERUNG IN DER PRAXIS GELÖST?

Dazu gibt es zwei Arten. Die eine ist die sogenannte PostProcessing Lösung. Also die Berichtigung nach der Messung.
Dazu stellt man – wie soeben besprochen – einen Empfänger auf eine bekannte Position. Ein weiterer Empfänger wird für die Aufnahme der Daten verwendet. Beide Empfänger speichern alle Daten auf ein Speichermedium.
Dieses werden an einem Rechner zusammengeführt und die Fehleranteile heraus gerechnet.

Es gibt heute auch Serviceanbieter, die die Daten einer Basis zur Verfügung stellen oder sogar die komplette Berechnung der Daten übernehmen.
Diese Messung ist die genaueste Messung, die mit GPS Empfängern durchgeführt werden kann, da nachträglich auf noch weitere Informationen der Satellitenbahnen mit verwendet werden können.

VORTEILE DIESER ART:

  • Sehr genaue Ergebnisse
  • GPS Empfänger sind günstiger und leichter

NACHTEILE:

  • Ergebnisse stehen erst nach der Messung zur Verfügung
  • Genauigkeit der Messungen liegt auch erst nach der Berechnung vor
  • Lange Messzeiten

Geht’s nicht einfacher?


VERBESSERUNG IN ECHTZEIT (REAL-TIME)

Es geht auch einfacher: Mit der 2. Art, diese Korrekturdaten an den 2. Empfänger zu übertragen.
Diese Art nennt sich Echtzeitvermessung. (Ergebnisse in Real-Time.)
Dazu überträgt man die Korrekturdaten an den Empfänger mit unterschiedlichen Medien in Echtzeit.

 WELCHE MEDIEN WERDEN DAZU BENUTZT?

Um ein großes Gebiet mit Verbesserungsdaten abzudecken, empfiehlt es sich einen weiteren Satelliten dafür zu verwenden. Das wird auch so bei EGNOS gemacht. Man nutzt dazu zur Zeit 34 Basisstationen, die über ganz Europa und Nordafrika verteilt sind. Das Korrektursignal wird als GPS-Signal „getarnt“ ausgestrahlt und kann somit sehr einfach verwendet werden. Die Genauigkeit die damit erreicht werden kann, liegt bei 1 bis 3 Metern. Das Signal kann in ganz Europa empfangen werden.

EINE WEITERES MEDIUM IST DIE FUNKÜBERTRAGUNG MITTELS UHF-BAND ODER MITTELWELLE (MW).

Die Mittelwelle eignet sich gut um die Korrekturdaten in einem Umkreis von bis zu 300km zur Verfügung zu stellen. In Deutschland stehen 5 Basisstationen, die über MW Korrekturdaten kostenfrei abstrahlen. Betrieben wird dieses sogenannte Beaconsignal von den deutschen Wasserschifffahrtsdirektionen. Hauptsächlicher Einsatz ist somit die Positionierung auf den Binnengewässer und Flüssen zu gewährleisten.
Es wird ein zusätzlicher MW-Empfänger benötigt, der das MW-Signal in eine vom GPS Empfänger verarbeitbare Form umwandelt.
Die Genauigkeit die damit erreicht werden kann liegt bei 1 bis 3 Metern. Das Signal kann in ganz Deutschland empfangen werden.
Der UHF Funkbereich kann ein Gebiet bis zu 25km abdecken. Üblicherweise werden Gebiete bis zu 3 km rund um eine Basis damit abgedeckt. Bei diesen örtlichen Korrekturdaten können je nach Empfängertyp Genauigkeiten bis zu 1-3 cm erreicht werden.

DER MOBILFUNK.

In Deutschland hat sich seit geraumer Zeit ein weiteres Medium als Standard durchgesetzt. Dabei wählt sich der Empfänger über eine GPRS Datenleitung ins Internet ein und erhält die Korrekturdaten und auch weiterer Daten für eine 1-3 cm genaue Lösung.


SATELLIT

  • Geostationäre Satelliten übertragen Korrekturen für weiträumige
  • Verbesserung (EGNOS)
  • 30 Referenzstationen für Europa
  • Genauigkeit 1m – 3m

FUNK

  • Übertragung mittels UHF oder MW (Beacon)
  • 5 Beacon-Referenzstationen für Deutschland
  • Genauigkeit 3cm bis 2m
  • GSM/GPRS – INTERNET (ASCOS / SAPOS)

MOBILFUNK

  • 250 Referenzstationen für Deutschland
  • Genauigkeit 3cm bis 2

Wie genau geht’s?


Wie genau geht's?

Um sich diese Informationen leichter merken zu können, wollen wir diese Techniken mit bildlichen Metaphern versehen:

  • Eine Glühbirne soll Licht in einen Raum bringen, ohne spezielle Effekte. So kann man auch das Standard GPS sehen. Eine Position überall auf der Erde. Ohne Anspruch auf höchste Genauigkeit.
  • Ein Scheinwerfer wurde konstruiert um einen speziellen Platz auszuleuchten. Bei GPS Messungen spricht man dabei von DGPS Messungen. Und meint dabei Genauigkeiten von 0,3m bis 2m. Meistens wird der Submeter gewünscht.
  • Ein Laser benötigt einiges an Technik um eine fokussierte Lichtleistung abgeben zu können. Bei GPS spricht man von RTK Messungen, wenn man den Zentimeter als Ziel der Genauigkeit meint.

Sie haben noch Fragen?

Wir beantworten sie gerne.