Satelliten

Das GPS Space Segment besteht nominell aus 24 Satelliten, verteilt auf 6 Bahnebenen. Da die GPS-Satelliten eine höhere Lebenserwartung als gedacht haben, sind etwa 30 Satelliten tatsächlich aktiv. Dadurch sind oft acht und mehr Satelliten empfangbar.
Die GPS-Satelliten umfliegen die Erde auf einer nahezu kreisförmigen Bahn in 20000km Höhe. Daraus ergibt sich eine Umlaufzeit von 11 Stunden und 58 Minuten, also einem halben Sterntag. Die Inklination der Bahnebene (Winkel zwischen der Bahnebene und dem Äquator) ist mit 55 Grad recht gering, weshalb zu den Polen hin die GPS-Verfügbarkeit geringer wird.
Neben den Sende- und Empfangseinrichtungen und den Solarpanels für die Stromversorgung sind die wichtigsten Komponenten der Satelliten die Atomuhren. Jeder Satellit trägt vier Atomuhren. Dadurch kann nach dem Ausfall einer Uhr auf die nächste Uhr umgeschaltet werden, da der Satellit ohne funktionierende Atomuhr nutzlos wäre. Der Lebensdauer der Uhren unterscheiden sich stark - vereinzelte Satelliten arbeiten noch mit der ersten Uhr, während andere schon die letzte Uhr benützen und so relativ schnell ausfallen können.

Bodenstationen

Das Control Segment besteht aus mehreren Stationen, die über den ganzen Globus verteilt sind. Sie verfolgen kontinuierlich die GPS-Satelliten, um die Korrektheit der ausgesandten Werte zu überprüfen und die Bahnparameter zu bestimmen. Die so gewonnenen Daten werden stündlich zu den Satelliten gesendet.

Empfänger

Das User Segment besteht aus den GPS-Nutzern mit ihren Empfängern. GPS steht prinzipiell jedem Nutzer kostenlos zur Verfügung - es gibt nur keine garantierte GPS-Verfügbarkeit.
Die zunehmende Verbreitung und Fortschritte bei der Miniaturisierung haben die Preise für Empfänger stark fallen lassen. GPS-Chips sind heute nur noch fingernagelgroß, Empfänger gibt es ab gut 100 Euro. Nach oben hin sind die Grenzen aber ziemlich offen - ein geodätischer, echtzeitfähiger Zweifrequenzempfänger für Phasenmessungen kosten um die 30000 Euro, und man braucht zwei davon.

Codemessungen

Die GPS-Satelliten senden eine Reihe von Codes aus Zufallszahlen aus. Die Funktionen zur Generierung dieser Zufallszahlen sind aber bekannt, so dass die Codes auch in den Empfängern generiert werden. Aus der Differenz zwischen empfangenem und generiertem Code ergibt sich die Signallaufzeit. Dazu müssen die Uhren in den Satelliten und im Empfänger jedoch hochgenau und absolut gleich laufen. Eine um eine Millisekunde falsch laufende Uhr (also die Genauigkeit, die die Zeitnahme bei der Formel 1 hat) resultiert in einem Fehler in der Streckenmessung von 300km.
Für diese hohe Genauigkeit sorgen in den GPS-Satelliten die Atomuhren. Durch den Einbau kann man beim Ausfall einer Uhr auf die nächste umschalten. Für die Empfänger wäre es wenig praktikabel, eine mehrere Millionen Euro teure (und sehr große) Atomuhr einzubauen. Quarzoszillatoren wie in jeder Armbanduhr sind wesentlich billiger, aber nicht genau genug.
Dieses Problem löst man dadurch, daß Messungen zu vier Satelliten durchgeführt werden. Drei Satelliten sind notwendig, um die drei unbekannten Lagekoordinaten zu bestimmen. Durch den vierten Satellit kann der Empfängeruhrenfehler berechnet werden. Eine zweidimensionale Positionierung (Höhe wird festgehalten) ist also mit drei Satelliten möglich. Mehr als vier Satelliten steigern die Genauigkeit.

Um aus den gemessenen Strecken die Position des Empfängers zu berechnen, müssen die Positionen der Satelliten bekannt sein. Die Satelliten senden kontinuierlich ihr Bahndaten (die Ephemeriden). Aus den Ephemeriden lässt sich durch einsetzen der Uhrzeit über wenige Formeln die Position des Satelliten berechnen.

Es gibt zwei Codes unterschiedlicher Genauigkeit. Der C/A-Code (Coarse/Acquisition = Grob/Erfassung) ist frei verfügbar, und erlaubt eine Positionierung mit etwa 10m Genauigkeit (95% Wahrscheinlichkeit), eine genügend große Anzahl von Satelliten in guter Konfiguration vorausgesetzt.
Die Funktionen zur Generierung des P-Codes (Precision) sind ebenfalls bekannt. Von den Satelliten ausgesendet wird jedoch nicht der reine P-Code, sondern der durch Verschlüsselung mit dem w-Code entstehende y-Code. Dieser kann nur von militärischen Empfängern entschlüsselt werden. Diese Verschlüsselung wird als AS (Anti-Spoofing) bezeichnet.

Fehlereinflüsse

Die Positionen der Satelliten müssen genau bekannt sein. In den Anfangstagen von GPS war dies nicht gegeben, heute sind die gesendeten Ephemeriden auf wenige Meter genau. Der Empfängeruhrenfehler wird durch die Verwendung von mindestens vier Satelliten eliminiert. Es bleiben jdeoch die Fehler in den Satellitenuhren (die auch nicht unendlich genau sind), was auch einige Meter ausmachen kann.
Die ionosphärische Refraktion ergibt sich durch Brechung der Signale in der Ionosphäre, und kann bis zu 100m ausmachen. Dieser Fehler ist abhängig von der Signalfrequenz. Deshalb wird der P-Code (bzw. der y-Code) auf zwei Frequenzen ausgesendet, da sich dadurch der Fehler eliminieren läßt. Der C/A-Code wird nur auf einer Frequenz ausgesendet.
Die troposphärische Refraktion resultiert aus der Brechung an den unterschiedlichen Luftschichten. Der Fehler beträgt einige Meter.
Das Coderauschen ist der Messfehler. Es ist beim P-Code etwa um den Faktor 10 geringer als beim C/A-Code, was die höhere Genauigkeit ergibt.
Vorraussetzung für eine korrekte Messung ist auch, das das Signal direkt zur Antenne kommt. Es kann jedoch zu Reflexionen z.B. an Hauswänden kommen. Diese sogenannten Mehrwegeeffekte resultieren in Fehlern von einigen Dezimetern.
Ein Fehler ergibt sich nicht aus den physikalischen Gegebenheiten. Selective Availability ist eine künstliche Verschlechterung des C/A-Codes. Bei eingeschaltetem S/A ist die Genauigkeit etwa um den Faktor 10 reduziert. S/A wurde zum 1.5.2000 abgeschaltet, die US-Regierung kann es jedoch jederzeit wieder anschalten. Auch möglich ist es, S/A oder die komplette Abschaltung des C/A-Codes regional begrenzt vorzunehmen, um z.B. im Kriegsfall dem Gegner die Nutzung von GPS unmöglich zu machen.

Differentielles GPS

Die Fehlereinflüsse ionosphärische und troposphärische Refraktion sowie ungenaue Bahndaten und Satellitenuhrfehler (und S/A, wenn aktiviert) weisen eine Besonderheit auf. Sie wirken sich auf nahe beeinanderliegende Empfänger nahezu gleich aus. Wenn ein Empfänger auf einem Punkt mit bekannten Koordinaten aufgestellt wird, kann er also die Differenz zwischen berechneter und tatsächlicher Position berechnen. Es lassen sich sogar für jeder Messung einzeln die Differenzen berechnen.
Diese Korrekturen können dann per Funk an andere Empfänger übermittelt werden, der damit eine verbesserte Position berechnet. Damit lässt sich die Genauigkeit der C/A-Code Messung auf ein bis zwei Meter steigern. Vorraussetzung dafür ist jedoch, dass die beiden Empfänger (Referenz und Rover genannt) maximal wenige dutzend Kilometer voneinander entfernt sind.
Die übermittlung der Referenzdaten kann auf unterschiedlichen Wegen erfolgen. Dazu gehört das RDS-Signal der Radiosender, geostationäre Kommunikationssatelliten sowie GSM.

Phasenmessungen

Beim differenziellen GPS bleibt das Coderauschen als wesentlicher Fehlereinfluss. Es wurde also nach Möglichkeiten gesucht, die Genauigkeit weiter zu steigern.
GPS sendet auf etwa 1,6 und 1,2 GHz, die resultierenden Wellenlängen sind 19 und 25 cm. Die Phase (Abstand vom letzten Nulldurchgang) einer elektromagnetischen Welle lässt sich sehr genau messen. Es ist problemlos möglich, die Phase genauer als einen Millimeter zu bestimmen. Das ist eine um ein Vielfaches höhere Genauigkeit, als sie bei der Codemessung möglich ist. Das Problem besteht jedoch darin, dass man wissen muss, wieviele Wellenlängen das Signal schon zurückgelegt hat. Um diese sogenannten Mehrdeutigkeiten zu bestimmen, sind sehr ausgefeilte Algorithmen entwickelt worden (unter anderem durch die Kombination beider Frequenzen). Erforderlich sind jedoch mindestens fünf Satelliten. Um die höhere Genauigkeit zu erzielen (und die Bestimmung der Phasenmehrdeutigkeiten zu ermöglichen), müssen die anderen Fehler so weit wie möglich eliminiert werden. Deshalb werden Phasenmessungen grundsätzlich mit differenziellem GPS durchgeführt. Ergebnis sind die sogenannten Basislinien, dreidimensionale Vektoren zwischen Referenz und Rover.

Man unterscheidet mehrere unterschiedliche Arten der Phasenmessungen. Bei der statischen Messung bleiben die Punkte längere Zeit (>20 Minuten) besetzt, die Positionen werden später im Büro berechnet. Es ist auch keine Funkverbindung zwischen den Empfängern notwendig.
Die erreichbare Genauigkeit hängt von der Beobachtungsdauer ab. Generell ist es sinnvoller, statt z.B. zwei Stunden Messung am Stück zweimal eine Stunde bei unterschiedlicher Satellitenkonfiguration zu messen. Erreichbar sind wenige Millimeter Genauigkeit. Pro km Abstand zwischen Referenz und Rover verschlechtert sich die Genauigkeit um etwa einen Millimeter.

Bei der Rapid-Static Messung werden die Punkte mehrmals für wenige Minuten besetzt. Bei zweifacher Besetzung für je fünf Minuten kommt man in den Genauigkeitsbereich von einem Zentimeter, der für Katasteraufgaben oft ausreicht.

Die größte Herausforderung stellt die Real-Time-Kinematic (RTK, Echtzeit-Bewegt) Messung dar. Hierbei werden in Echtzeit Positionen berechnet (Echtzeit heisst hier bis zu 0,1 Sekunden Wiederholrate). Eine Funkverbindung zwischen Referenz und Rover ist dabei unbedingt erforderlich. über größere Entfernungen wird hierbei gerne GSM verwendet. Das Problem besteht besonders darin, bei bewegtem Empfänger die Phasenmehrdeutigkeiten zu bestimmen (z.B. nach Unterquerung einer Brücke, was kurzzeitigen Signalabriss bedeutet). Man erreicht mit RTK eine Genauigkeit von 1 bis 3 Zentimetern.

Durch die hohe Messgenauigkeit treten neue Fehlereinflüsse in den Vordergrund. Stark wirken sich die Mehrwegeeinflüsse aus, denen man durch lange Beobachtungszeiten und spezielle Antennen (Choke-Ring Antennen, die keine Signale von unten empfangen) beizukommen versucht.

Für hochgenaue Bahndaten (wenige Zentimeter) sorgt das IGS (International GPS Service) Netzwerk. Dabei handelt es sich um ein Netz von Stationen, deren Positionen hochgenau bestimmt sind (durch SLR - Satellite Laser Ranging und VLBI - Very Long Baseline Interferometry). Diese Stationen messen kontinuierlich zu allen GPS-Satelliten, und können so deren Position hochgenau bestimmen. Daraus werden dann genaue Bahndaten bestimmt, die kostenlos über das Internet abgerufen werden können.

Wenn man die Antenne über einem Punkt aufbaut, misst man die Höhe von einem festgelegten Punkt an der Antenne zum Boden. Dieser Referenzpunkt an der Antenne ist jedoch nicht der Punkt, an dem die tatsächliche GPS-Messung erfolgt. Dieser durch den Aufbau der Antenne bestimmte Punkt ist das Phasenzentrum. Da zwischen Referenzpunkt und Phasenzentrum einige Millimeter liegen, muss dieser Offset bestimmt werden. Es ist sogar so, dass das Phasenzentrum abhängig von der Elevation (der Höhe des Satelliten über dem Horizont) variiert.
Auf diese Bestimmung von Phasenzentrum und Phasenzentrumsvariationen konzentriert sich momentan die Forschungsarbeit im Bereich GPS. Dazu gehört auch die Bestimmung der Phasenzentren der GPS-Satelliten, was durch Mitarbeit der NASA und Boeing an einer Antenne möglich war.

GLONASS

Das GLobal NAvigation Satellite System ist eine russische Parallelentwicklung. Wie das GPS wurde es während den 70er Jahren entwickelt. Vom Systemaufbau unterscheidet es sich in manchen Punkten vom GPS (z.B. nur drei Bahnebenen, größere Inklination, geringere Flughöhe), weisst aber auch deutliche Parallelen auf (24 Satelliten, C/A-Code auf einer, P-Code auf zwei Frequenzen) auf. Besonders das Fehlen einer Selective Availability-Funktion und der auch zivil zugängliche P-Code sorgten Mitte der 90er für eine Glonass-Euphorie und kombinierte GPS/Glonass Empfänger.
Das Ende des kalten Kriegs sorgte jedoch für einen schnellen Verfall des Systems, das auch mit einer sehr kurzen Lebensdauer der immer im Dreierpack gestarteten Satelliten zu kämpfen hat. Manche Satelliten wurden gar nicht erst aktiviert, teilweise wurde sogar Ballast in den Orbit geschossen, weil man keine drei Satelliten hatte.
Unter Putin soll das System jetzt jedoch wieder zur vollen Einsatzbereitschaft ausgebaut werden.

Die Zukunft

GPS wird in den nächsten Jahren modernisiert und erweitert werden. Geplant sind eine dritte Frequenz mit einem neuen zivilen Signal höherer Genauigkeit, ein C/A-Code auf der zweiten Frequenz und neue militärische Signale auf erster und zweiter Frequenz. Letzteres soll eine Störung des zivilen Signals ohne Beeinflussung des militärischen Signals ermöglichen. Die dritte Frequenz ermöglicht nicht nur eine bessere Eliminierung der ionosphärischen Refraktion, sondern eröffnet auch ganz neue Möglichkeiten bei der Kombination von Frequenzen zur Bestimmung der Phasenmehrdeutigkeiten.

Auch die Europäer haben eingesehen, dass ein globales Satellitennavigationssystem in der Zukunft eine Notwendigkeit ist. Besonders die Unabhängigkeit vom GPS, das ja vom amerikanischen Militär kontrolliert wird, war erwünscht. In den nächsten Jahren wird das Galileo genannte System aufgebaut werden. Nach diversen exotischen Vorschlägen hat man sich jetzt auf ein GPS-ähnliches Design geeinigt (etwa 20000km Bahnhöhe, drei Frequenzen, nur drei Bahnebenen).
Geplant ist, die verfügbare Genauigkeit von den bezahlten Gebühren abhängig zu machen. So soll ein Teil der Systemkosten durch Nutzergebühren wieder reinzuholen.

Für die Nutzer kann es nur von Vorteil sein, drei Satellitennavigationssysteme zur Verfügung zu haben. Der Bau von kombinierten Empfängern stellt kein Problem dar, man kann also mit etwa 20 verfügbaren Satelliten zu jeder Zeit rechnen. Das steigert nicht nur die Genauigkeit, sondern auch die Zuverlässigkeit. Letzteres (garantierte Verfügbarkeit und Genauigkeit) ist besonders für die Luftfahrt wichtig und mit GPS allein nicht gegeben.

Links

• Satellite Geodesy Home Page der NIMA mit vielen Informationen, einschliesslich dem Status aller GPS-Satelliten. Äußerst interessant!
  Es wird nicht nur erklärt, welcher Satellit (mit welcher Nummer aus welchem Block) sich mit welcher PRN-Nummer in welcher Bahn an welcher Stelle befindet, sondern auch, welcher Satellit welche Probleme hat, und auf welcher Uhr er läuft.
• Global Positioning System Constellation Status - Informationen zum aktuellen Status von GPS. Hier gibt es die Advisories, welche Satelliten für welchen Zeitraum unzuverlässig oder abgeschaltet sind.
• International GPS Service - Neben Informationen über das IGS-Netzwerk kann man sich hier alle Produkte herunterladen, außerdem gibt es hier auch die Beschreibung des RINEX-Protokolls.
• Interactive GPS Satellite Prediction Utility - Hier kann man sich für jeden Zeitpunkt und jeden Ort der Erde die Anzahl der verfügbaren GPS-Satelliten und die zugehörigen DOP-Werte anzeigen lassen. Ein kostenloses Programm zur GPS-Sessionplanung (mit Sichtmasken und Darstellung längerer Zeiträme) kann man sich bei Trimble kostenlos herunterladen.