Globale Satellitennavigationssysteme (2/2)
Wie GNSS funktionieren
Der Zweck eines GNSS besteht darin, die Position eines Punktes auf der Erde und seine Höhe in einem Koordinatensystem zu bestimmen. Um diese Position zu bestimmen, wird ein Empfänger benötigt, der in der Lage ist, die von denSatelliten gesendeten Signale zu empfangen. Die Satelliten umkreisen die Erde in festgelegten Umlaufbahnen, so dass ihre Positionen immer bekannt sind. Sie sind zusätzlich mit einer Atomuhr ausgestattet, die die Synchronisierung aller in der Konstellation vorhandenen Satelliten sicherstellt. Ein Satellit sendet fortlaufend ein Signal, das seine Position und die dazugehörige Uhrzeit übermittelt. Wenn der Empfänger das Signal aufnimmt, vergleicht er die Zeit des Absendens des Signals mit der Empfangszeit. Da die gesendeten Signale mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden, kann der Empfänger aus der Laufzeit der Signale seinen Abstand zum Satelliten errechnen.
Nimmt man einen Satelliten als Bezugspunkt, dann bilden alle möglichen Positionen, die sich im gleichen Abstand befinden, eine Kugeloberfläche. Wird ein zweiter Satellit als Bezugspunkt hinzugezogen, dann bilden alle Positionen, die sich im gleichen Abstand befinden, einen Kreis.
Quelle: Wikimedia Commons
Wird ein dritter Satellit hinzugezogen, dann besteht das gemeinsame Gebiet nur noch aus zwei Punkten. Einer dieser Punkte wird keinen Sinn ergeben (er befindet sich entweder im All oder innerhalb der Erde). Somit wird ein Minimum von drei Satelliten benötigt, um eine bestimmte Position auf der Erde zu ermitteln. Um jedoch die Genauigkeit zu vergrößern, bedarf es mindestens vier oder sogar fünf Satelliten.
Differenzielles GPS (DGPS)
GPS wurden zunächst für militärische Zwecke entwickelt. Um militärische Gegner an der Lokalisierung der eigenen Truppen und am Starten von Raketen, die mit dem System gelenkt werden können, zu hindern, wurde ein beliebiger Zeitfehler in das Signal gebaut, den man nur umgehen kann, wenn man den richtigen Code-Schlüssel hat.
Das differenzielle GPS (DGPS) ist ein Netzwerk aus feststehenden Transmittern und Empfängern, deren Positionen bekannt sind. Die Empfänger lesen das GPS-Signal und vergleichen die errechnete Position mit ihrer Eigenen. Dieser Unterschied ist der eingebaute Zeitfehler, der danach an die Nutzer weitergeleitet wird, damit diese ihr empfangenes Signal ebenfalls korrigieren können.
Fehlerquellen in GPS
Da das GPS das derzeit einzige vollfunktionierende GNSS ist, wird im weiteren Verlauf darauf Bezug genommen, aber im allgemeinen gilt das Folgende für jedes beliebige GNSS.
Neben dem künstlichen Fehler gibt es weitere Fehlerquellen bei der GPS-Messung. Das Empfangen eines GPS-Signals setzt voraus, dass die Satelliten sich in einer Sichtlinie befinden, oder anders, dass der Weg zwischen dem Nutzer und dem Satelliten durch nichts blockiert wird. Dieser Umstand erschwert den GPS-Gebrauch in einem Wald oder sogar in einer Stadt, wenn die Gebäude um einen herum zu hoch sind und den Blick in den Himmel versperren.
Was als Satelliten-Geometrie bekannt ist, kann ebenfalls eine relativ große Fehlerquelle darstellen, auch wenn mindestens vier Satelliten benutzt werden. Wenn diese vier Satelliten nicht gleichmäßig im Himmel verteilt sind, dann kann ein kleiner Fehler im Signal schon zu einem proportional großen Fehler um 100 Meter herum auf der Erde führen.
Schließlich kann das Signal abgelenkt und somit der Weg des Signals verlängert werden, so dass es auch längere Zeit zum Empfänger braucht. Die Atmosphäre ist voller Partikel, Gase und Dunst, welche das Signal streuen können. Einen ähnlichen Effekt hat die Reflexion des Signals durch umgebende Objekte, wie zum Beispiel Gebäude. Diese Reflexionen verlängern ebenfalls den Weg des Signals und liefern falsche Informationen über die Entfernung zum Satelliten.
