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Eine Einführung in das Satellitennavigationssystem NAVSTAR / GPS "Besser sich mit GPS verfliegen,   als garnicht wissen wo man ist ..." Zur Geschichte - woher kommt GPS? Die Kosten - wer bezahlt GPS? Wie funktioniert GPS? Wer kontrolliert das GPS-System? Wie genau ist GPS? Das Satellitensignal Die Kanäle bei einem Empfänger Nonplusultra Differential-GPS? Andere Systeme und Ausblick GPS-Probleme / Jamming Zur Geschichte - woher kommt GPS? Die Wurzeln von GPS liegen im militärischen Bereich. Ein Hauptbestandteil des SDI-Programms der USA war seinerzeit - im Kalten Krieg - eine weltweite Lösung des Navigationsproblems. Man wollte weltweit und ohne bodengestützte Navigationssysteme wie LORAN, Omega, Decca oder TACAN militärische Aktionen (z.B. Steuerung von Lenkwaffen) durchführen können. Deshalb sollte ein im Weltall verankertes System, unerreichbar für jeden potentiellen Feind, installiert werden. Das System sollte unstörbar und zentral steuerbar sein. Erfahrungen hatte man seit der Zeit der ersten Satelliten und in den 60er Jahren mit dem TRANSIT- System gesammelt (ab 1967 zivile Nutzung). Nachteil von TRANSIT war der eingeschränkte Versorgungsbereich (nur 4 Satelliten) und der große Abstand zwischen zwei Messungen von 30 - 110 min. Das Äquivalent zu TRANSIT war das von der ehemaligen Sowjetunion entwickelte und eingesetzte System TSIKADA. Ab ca. 1978 war das NAVSTAR GPS System verfügbar. Die Kosten - wer bezahlt GPS? Zuerst einmal was den User interessiert: Die Benutzung von GPS ist weltweit kostenlos. Als die Kosten des geplanten "Global Positioning System" zur Debatte standen, setzte sich bei den amerikanischen Abgeordneten die Meinung durch, daß ein so teures System (angeblich über 20 Milliarden DM für die Entwicklung und 600 Millionen jährlich für den Unterhalt) einem breiteren Nutzerkreis zugänglich sein müßte, so daß von einem sehr frühen Stadium an eine zivile Mitbenutzung eingeplant wurde. So ist die Architektur von GPS zweigeteilt, militärisch und zivil, aufgebaut worden. Bis heute trägt das Department of Defense der USA die Kosten, und die Benutzung des Systems ist weltweit (noch) für jedermann kostenlos. Umgekehrt darf nicht übersehen werden, daß amerikanische Elektronikfirmen mit Produkten und Lizenzgebühren viel Geld verdienen (amerikanische GPS-Industrie: Jahresumsatz von 8 Mrd. $, Quelle Spiegel 19/2000), so daß die Kosten zu relativieren sind. Bei einem eventuellen Nachfolge- bzw. Ergänzungssystem ist unklar, wer diese Kosten dann trägt. Wie funktioniert GPS? Die Ortung basiert auf der Laufzeitmessung der Funksignale von mindestens vier von 24 amerikanischen NAVSTAR- Satelliten, die ihre Umlaufbahnen in einer Höhe von 10900 NM haben. Jeder Satellit trägt eine hochpräzise Atomuhr und sendet neben dem Zeitplan seine augenblicklichen geozentrischen Positionskoordinaten (Ephemeriden). Der Benutzer, der ebenfalls über eine Zeitbasis verfügt, empfängt das Signal des Satelliten zeitlich verzögert und ermittelt aus der Laufzeit der Signale (Lichtgeschwindigkeit) die Entfernung zu dem betreffenden Satelliten. Der Standort des Empfägers läßt sich dann aus den Positionen der Satelliten und den Entfernungen zu ihnen mittels eines Dreibeins errechnen. Das funktioniert jedoch nur dann exakt, wenn die Benutzerzeitbasis synchron zur Satellitenzeitbasis arbeitet, was auch auf der Benutzerseite eine hochpräzise Atomuhr voraussetzen würde. Aus Kostengründen verwendet man benutzerseitig eine weniger genaue Zeitbasis (Quarzoszillator), deren Gangfehler dann jeweils festgestellt und korrigiert wird. Hierzu muß man mindestens einen Satelliten mehr empfangen als zur Positionsbestimmung nötig ist, also vier statt drei (für eine 3D-Positionsbestimmung). Das Prinzip der Korrektur beruht darauf, daß sich eine Positionsveränderung bei verschiedenen Satelliten unterschiedlich auf die Zeitdifferenz auswirkt, ein Fehler der Benutzerzeitbasis jedoch bei allen in gleicher Weise. Man kann nun den Gangfehler so korrigieren, daß man wieder einen eindeutigen Schnittpunkt der Standlinien erhält. Wer kontrolliert das GPS-System? Die Kontrolle der Satelliten erfolgt zentral von der sog. Master Control Station in Colorado Springs, USA (2nd Satellite Operations Squadron) aus. Hinzu kommen einige Beobachtungsstationen auf der ganzen Welt, mit denen die Satelliten überwacht werden. Die völlige Kontrolle über das System liegt also bei der Regierung der USA, was viele Anwender in der Vergangenheit verunsichert hat. Ex-Präsident Bill Clinton hat aber garantiert, daß das System nicht ohne Vorwarnung einer großen Änderung unterzogen oder gar abgeschaltet wird. Wie genau ist GPS? Das Kapitel GPS-Genauigkeit hat sich am 2. Mai 2000 grundlegend verändert. Das amerikanische Verteidi- gungsministerium (DOD) ließ in der Nacht vom 1. zum 2.5.00 die künstliche GPS Signalverschlechterung (SA) abschalten. Die physikalische Genauigkeit ist für jeden Nutzer verfügbar. Das DOD behält sich aber vor, die Daten jederzeit (bei Krisen oder kriegerischen Handlungen) wieder verschlechtern oder abschalten zu können. Vergleich der Positionsgenauigkeit (HDOP) mit (1. Mai '99) und ohne (2. Mai '99) Selective Availability. Zum Hintergrund der Signalverschlechterung S/A: Mit dem normalen C/A-Code könnte jeder handels- übliche GPS-Empfänger die eigene Position theoretisch auf 30 Meter genau bestimmen. Um nun nicht einem militärischen Gegner zuzuarbeiten oder Terroristen die Möglichkeit zu geben, mit einem Modellflugzeug, einigen Kilo Sprengstoff und GPS relativ einfach eine Bombe in's Weiße Haus zu steuern, wurden die GPS-Signale künstlich verschlechtert. Dazu verwendeten die Betreiber eine Technik, die als Selective Availability (SA) bezeichnet wurde. Je nach weltpolitischer Lage konnte die Genauigkeit des C/A-Codes verändert werden. Der Nutzer wird vom Betreiber davon nicht informiert, das Satellitensignal enthält darüber keine Information. Somit tappt man als Normalbenutzer total im Dunkeln, wie genau GPS im Moment gerade ist. In der Praxis kann man davon ausgehen, daß der Informationsgehalt des Satellitensignals mathematisch gesehen reicht, in 99,99 Prozent der Fälle die Position genauer als 300 Meter zu bestimmen, in 99 Prozent der Zeit liegt sie bei 100 m. Daß viele GPS-Empfänger in der Praxis bessere Ergebnisse liefern, liegt daran, daß einige Software- Tricks angewendet werden. So ist beispielsweise die Geschwindigkeit, die ein GPS-Empfänger liefert, wesentlich genauer als die Position, da sie meist nicht aus der Positionslösung abgeleitet wird, sondern durch eine Auswertung des Dopplereffekts erzielt wird. Summiert man nun die Geschwindigkeiten über die Zeit, so erhält man eine recht passable Lösung, die aber nie absolut sein kann. Ebenso kann angenommen werden, daß sich die Position eines Empfängers nicht innerhalb einer Sekunde schlagartig um 50 Meter ändert, so daß eine Glättung der Positionslösung auch eine bessere Genauigkeit vorspiegelt, die in Wahrheit gar nicht vorhanden ist. Die Qualität eines GPS-Empfängers beruht somit vorrangig auf der Software, die im Innern des Gerätes die Position errechnet. Die hier zur Anwendung kommenden Filter und mathematischen Funktionen gehören zu den am besten gehüteten Geheimnissen der jeweiligen Hersteller. Derzeit liegt die erreichbare laterale Genauigkeit von GPS bei etwa 10-20 m. Das Satellitensignal Die Satelliten senden auf zwei Frequenzen im L-Band. Diese Frequenzen werden mit L1 (1575,42 MHz) und L2 (1227,6 MHz) bezeichnet. Auf diesen Frequenzen sendet jeder Satellit sein eigenes PRN Signal. An diesem zufällig scheinenden Signal ist jeder Satellit zu identifizieren. Das PRN Signal wird vom Satellit codiert. Im PRN-Signal ist die Navigationsnachicht enthalten. Sie enthält die exakte Sendezeit, Informationen über die Genauigkeit der Satellitenuhr des spezifischen Satelliten, den Umrechnungsko- effizienten zwischen Satelliten- zeit und UTC, Daten zur Korrektur des Ionosphärenfehlers, den Almanach und die Ephemeridendaten. Die digitalen Signale werden auf Trägerfrequenzen aufgeprägt und mit relativ geringer Leistung abgestrahlt. Die auf der Erde ankommenden Signale gehen eigentlich im Grundrauschen unter. Da die Empfänger aber "wissen" worauf sie "hören" müssen, gelingt es, das Signal aus dem Grundrauschen herauszufiltern. Wenn der Empfänger die Signale von 4 Satelliten empfängt, kann er mit der Lösung der vier Gleichungen zur Standortbestimmung beginnen: (R1 + c × DtE)2  =  (xE - x1)2  +  (yE - y1)2  +  (zE - z1)2 (R2 + c × DtE)2  =  (xE - x2)2  +  (yE - y2)2  +  (zE - z2)2 (R3 + c × DtE)2  =  (xE - x3)2  +  (yE - y3)2  +  (zE - z3)2 (R4 + c × DtE)2  =  (xE - x4)2  +  (yE - y4)2  +  (zE - z4)2 dabei sind:  R1-4 die Schrägentfernung zu den Satelliten, c die Lichtgeschwindigkeit, DtE der Uhrenfehler, xE yE zE die zu ermittelnde Empfängerposition und x1-4 y1-4 z1-4 die Satellitenpositionen auf den Achsen. Die Kanäle bei einem Empfänger Dem privaten Käufer wird die Anzahl der Kanäle als primäres Qualitätsmerkmal präsentiert. Um den Sinn von vielen Kanälen zu verstehen, muß man sich die Art und Weise vorstellen, mit der ein GPS-Empfänger arbeitet. Um die eigene Position ausrechnen zu können, benötigt der Empfänger wie erläutert, die Signale von mindestens vier Satelliten (für 3D-Navigation). Und wie findet das GPS die Himmelstrabanten, die als winzige Punkte irgendwo im All schweben? Dafür ist in jedes Gerät ein sogenannter Almanach einprogrammiert, der die Bahndaten sämtlicher Satelliten enthält. Wird ein GPS eingeschaltet, geht es von seiner eigenen letzten bekannten Position aus und sucht von dort aus nach den Sendern im Orbit, die seiner Ansicht nach momentan zu "sehen" sein müßten. Das dauert seine Zeit, bis er vier gefunden hat. Noch länger dauert es, wenn das GPS ausgeschaltet etliche Kilometer mitgenommen wurde und nun keinen blassen Schimmer hat, wo es sich auf dem Erdball gerade befindet. Hat es vier Satelliten gefunden, funktioniert das Wunderwerk. Theoretisch reicht ein Vierkanal-GPS also aus. Es hat aber den Nachteil, daß es für eine permanente Positionsanzeige ständig alle vier Kanäle benötigt und nicht gleichzeitig Satelliten suchen kann, die eine bessere Konstellation der Anordnung am Himmel und damit eine bessere Genauigkeit bringen würden. Und eine enge Kurve mit dem Flugzeug reicht meist aus, solch ein GPS zu verwirren: Wegen der plötzlichen Richtungsänderung verliert es den Kontakt zu einem oder gleich mehreren der Himmelskörper. Jetzt muß es sich erst wieder seine Satelliten zusammensuchen. Und das kann dauern... Moderne Acht- oder gar Zwölf-Kanal-Empfänger sind nicht etwa viel genauer, laufen aber stabiler. Denn letzteres hat im Idealfall gleichzeitig alle in Sicht befindlichen Satelliten im Blick und sucht sich die besten vier aus, um die Position zu bestimmen. Sollte es im Flug mal den Kontakt zu einem oder zwei verlieren, macht das nichts. Es greift einfach auf einen der anderen Satelliten zurück. Für Handheld GPS gibt es auch sequentielle Einkanal-Empfänger. Diese Geräte arbeiten nur mit einem einzigen Kanal, der schnell zwischen mehreren Satelliten hin und her springt. Für Anwendungen mit geringer Dynamik (Reiseflug) ist das meist ausreichend, vorausgesetzt, die Antenne ist an einer günstigen Stelle am Flugzeug angebracht. Nonplusultra Differential-GPS? Schon bald wurde überlegt, ob es denn nicht eine Möglichkeit gibt, die Genauigkeit von GPS zu verbessern. Die Anwendungen liegen auf der Hand: Das reicht vom Landvermesser über den Nautiker auf See, der eine Hafeneinfahrt im Nebel treffen will bis zu Airliner-Captains, die bei schlechtem Wetter im Landeanflug auf einen Flugplatz sind. Eine Abweichung von 100 Metern hätte dort fatale Folgen. Eine mittlerweile verbreitete Lösung stellt Differential- GPS dar. Dieses System arbeitet mit zwei GPS-Empfängern: Einer im Flugzeug und einer am Boden, dessen exakte Position bekannt ist. Aus der Abweichung der Signal-Laufzeiten und der tatsächlichen Entfernung Satellit-Bodenstation wird neben anderen Fehlern auch die künstliche Ungenauigkeit S/A errechnet und gleichzeitig beim GPS im Flugzeug korrigiert. Doch Differential GPS ist noch in der Weiterentwicklung und krankt momentan noch an der relativen Langsamkeit dieses Verfahrens. Wenn z.B. nur jede volle Sekunde eine exakte Positionsangabe errechnet wird, ist das bei einem Landeanflug einfach zu wenig (bei einer Anfluggeschwindigkeit von 150 kts werden in einer Sekunde ca. 77 Meter zurückgelegt). Mittlerweile sind Systeme zu haben, die 50 Lösungen pro Sekunde liefern. Damit sind erweiterte Möglichkeiten gegeben. Außerdem ist die Suche nach einem passenden Übertragungskanal für die Korrekturdaten von der Bodenstation zum Flugzeug noch nicht ganz entschieden. RDS, DME, NDB und andere sind im Gespräch. Beruhigend sei erwähnt, daß sehr viele handelsübliche Empfänger bereits seit langem in der Lage sind, differentielle Korrekturen zu verarbeiten. Man muß die Korrekturdaten nur irgendwie aus der Referenzstation am Boden in den mobilen Empfänger hineinbekommen. Ein Problem, das in diesem Rahmen auftaucht, ist die Überwachung des Systems. Wenn sich ein landendes Flugzeug auf ein Differential-GPS verlassen soll, dann muß jemand die gerade in Sicht befindlichen Satelliten überwachen und den Piloten oder seine Hilfssysteme an Bord darüber informieren, wenn ein Satellit ungültige Werte liefert. Werden solche ungültigen Werte nämlich zur Navigation verwendet, so könnte der Landeanflug in einer Katastrophe enden. Anstelle einer dauernden Wartung des bisherigen ILS trete dann der kontinuierliche Betrieb einer örtlichen Station, die nur die Integrität des GPS überwacht zusätzlich zum Betrieb der Differential GPS- Referenzstation. Wer solche Dienste auszuführen hätte, ist unklar. Die Betreiber der Flughäfen? Die Deutsche Flugsicherung? Die Airlines? Die bei konventionellen Satellitenortungen über das GPS auftretenden Abweichungen sind für viele Positionsbestimmungen zu ungenau, so daß entweder auf die satellitengestützte Ortung verzichtet werden oder ein regional sehr begrenzter, kostenintensiver Referenzsender installiert werden muß. Der neue Datendienst ALF (Accurate Positioning by Low Frequency), der seit Januar 1997 bundesweit verfügbar ist, ermöglicht eine deutliche Verbesserung der empfangenen GPS-Daten. Bei diesem Dienst werden flächendeckende Genauigkeiten von bis zu 3 Meter und besser erreicht. Dadurch werden GPS-Anwendungen im Bereich Verkehrsführung, Forst- und Landwirtschaft, Vermessungswesens, Sicherheitsdienste etc. möglich. Die über Satelliten gelieferten und für exakte Standortbestimmungen zu ungenauen GPS-Daten werden in einer Referenzstation mit einer bekannten, geodätisch exakt vermessenen Position verglichen. ALF ermittelt Korrekturdaten sowie Tendenzangaben für die sichtbaren Satelliten und strahlt diese über einen Langwellensender (Mainflingen) kontinuierlich aus. Das System erlaubt einen Real-Time-Betrieb, der auch dynamische Anwendungen unterstützt. Die über Langwelle im RDS-Format gesendeten Korrekturdaten werden von einer sogenannten d-BlackBox empfangen und im RTCM 2.0-Format zur weiteren Verarbeitung für handelsübliche GPS-Empfänger zur Verfügung gestellt. Die Ausgabe der RTCM-Daten erfolgt über eine RS-232 Schnittstelle. Zusätzlich erfolgt am Langwellen-Empfänger eine optische Aussage über die Güte des ausgesendeten Korrektursignales. Das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) betreibt eine Referenzstation in Mainflingen bei Frankfurt am Main und eine Monitorstation in Potsdam. Auf der Referenzstation werden vom BKG die Korrekturdaten erzeugt. Die Monitorstation trifft im Real-Time-Betrieb eine Aussage über die Güte der empfangenen Korrekturdaten. Diese Information wird nach Mainflingen übermittelt und zusammen mit den eigentlichen Korrekturdaten ausgestrahlt. Das BKG gehört zum Geschäftsbereich des Bundesministers des Innern. Zu den Kernaufgaben gehört die Bereitstellung und Laufendhaltung von Geodätischen Referenznetzen, u.a. für die Positionsbestimmung in Deutschland, und die erforderliche Mitwirkung im internationalen Rahmen. (Infos von der GPS GmbH, München) Andere Systeme und Ausblick Aufzuhalten ist der Siegeszug der Satellitennavigation nicht mehr. Auf der ICAO-Karte sind alle Flugplätze mit ihren Koordinaten angegeben, im Luftfahrthandbuch AIP auch die Meldepunkte. Der Anflug auf einen großen Verkehrsflugplatz samt Platzrunde läßt sich so problemlos ins GPS eingeben und hilft so, den Überblick zu behalten. Der Trend geht in Richtung immer leistungsfähigerer Displays, die mitbewegte elektronische Karte ist schon fast Standard. Die Datenbanken werden größer, Differential GPS gebräuchlicher. Dadurch, daß das GPS (noch) nicht offiziell als primäres Navigationsmittel zugelassen ist, entfällt auch eine nicht ganz preiswerte jährliche Überprüfung wie bei VOR und ADF. In Zukunft werden auch die russischen Satelliten des GLONASS- Systems mit zur Positionsbestimmung herangezogen. Dies ermöglicht eine bessere Verfügbarkeit und eine höhere Genauigkeit. Für die ferne Zukunft plant man ein GPS-System für Europa, um unabhängig von den Weltmächten zu sein, und evtl. derzeitige Navigations- und Präzisionsnavigationssysteme wie ILS ersetzen zu können. Der grösste Markt für GPS, das zeichnet sich bereits heute ab, wird der Strassenverkehr sein. Vom Acht-Milliarden-Dollar-Markt im Jahr 2000 werden allein drei Milliarden dem Konto Strassenverkehr zugerechnet.    NAVSTAR-GPS GLONASS GALLILEO Betreiber  USA Rußland Europa Anzahl der Satelliten  24 24 21+ Orbitalbahnen  6 3   Inklination  55° 64°   Umlaufzeit  11h 58min 11h 15min   Koordinatensystem  WGS 84 SGS 85 lt. Planung ab ~ 2008 voll funktionstüchtig GPS Probleme / Jamming Jamming. Wie man weiß, werden die Navigationssignale der Satelliten nur mit extrem niedriger Leistung gesendet, was bedeutet, dass man auch relativ leicht mit einem boden- oder luftgestützten Störsender ("Jammer") diese Signale verfälschen, stören oder "bügeln" (überlagern) kann. Im Bereich des normalen Boden-Einsatzes kann allerdings auch bereits der bestehende Elektro-Smog als Jamming-Effekt auftreten, so ist z.B. nachts deshalb der Empfang grundsätzlich besser und die Anzeige genauer. Laut Pilot und Flugzeug wurde die Beeinträchtigung durch Störsender bereits 1997 in Moskau während einer Luftfahrtmesse vorgeführt, auch die amerikanischen Militärs sollen ihre eigenen Versuche gemacht haben. Weitreichende Konsequenzen nun für die Luftfahrt! Während ein VOR natürlich auch weiterhin als alleiniges Navigationsgerät zu benutzen ist, gilt dies nicht für das GPS, auch Präzisionsanflüge mit dessen alleiniger Hilfe sind fragwürdig. GPS week number rollover. Die Datumsberechnung im Navstar / GPS - System beruht auf einer Wochenzählung seit Januar 1980. Die Anzahl der Wochen wurde in einer 10bit Variablen gespeichert. In der Nacht vom 21. zum 22. August 1999 brach die 1024te Woche an. Da aber nur ein Zahlenraum von 0 bis 1023 darstellbar ist, sprang die Variable auf 0 um. Dieses Problem wird "GPS week number rollover" genannt. Dies hatte zur Folge, daß einige ältere Empfänger nicht mehr wußten wo sie sind und die "Choose Country"- Routine aufriefen. Nach einer Reinitialisierung lief bei den meisten Empfängern wieder alles wie gewohnt, einige aber (zB. Garmin 90) brauchten einen Reset (bei dem dann auch die Datenbank mit weg war). 2019 dürfte das Problem wieder auftreten. Literatur - Script zu "Einführung in das GPS" von Carsten Günther 03/93 - Mitschriften zu "Labor Flugmeßtechnik", TU Berlin 01/98, H. Fricke, G. Hüttig, R. Knorr - "Was sie schon immer über GPS wissen wollten", Dipl.-Ing. Th. Bäurle u. P. Szarafinski, Adler 10/97 - Satellitennavigation, Der Privatflugzeugführer Band 4 C, Jan Kupzog 07/99, Schiffmann Verlag