Warum verschiedene Satellitensysteme GPS ergänzen

GPS prägt die Navigation, doch allein reicht es nicht für alle Anforderungen. Ergänzende Satellitensysteme wie GLONASS, Galileo und BeiDou erhöhen Verfügbarkeit, Genauigkeit und Robustheit. Mehr Konstellationen verbessern Empfang in Städten und Polarregionen, mindern Ausfälle durch Störungen und bieten unabhängige Zeit- und Ortungsdienste für kritische Anwendungen.

Inhalte

• Globale GNSS-Landschaft heute
• Warum GPS Ergänzung braucht
• Stärken von Galileo und BeiDou
• Robustheit durch Mehrsysteme
• Empfehlungen für Anwendungen

Globale GNSS-Landschaft heute

Satellitennavigation ist zur Mehrkonstellations-Infrastruktur gereift: Neben dem US-amerikanischen GPS liefern GLONASS, Galileo und BeiDou parallel Signale, die in modernen Empfängern zusammengeführt werden. Diese Vielfalt erhöht Verfügbarkeit und Robustheit – besonders in Straßenschluchten, unter Blätterdächern und an hohen Breiten – und erlaubt durch mehrere Frequenzen (u. a. L1/E1, L5/E5, B2a) eine präzisere Korrektur ionosphärischer Effekte. Regionale Systeme und Korrekturdienste spannen einen zusätzlichen Sicherheitsrahmen, der Integrität und Kontinuität gewährleistet.

• GPS (USA): globaler Backbone, breite Geräteunterstützung, L1/L5-Ausbau.
• GLONASS (Russland): robuste Bahnen, nützlich bei niedrigen Elevationen.
• Galileo (EU): präzise zivile Signale, HAS und Authentizität (OSNMA im Ausbau).
• BeiDou (China): globaler Dienst, Kurznachrichten-Funktion in Asien-Pazifik.
• QZSS (Japan): quasi-zenitale Geometrie für Städte in Ostasien.
• NavIC (Indien): regionale Genauigkeit im indischen Subkontinent.
• SBAS (EGNOS, WAAS, MSAS, GAGAN): Integritätsüberwachung und Korrekturen für Luftfahrt und Präzisionsanwendungen.

Der aktuelle Trend geht zu Multi-Band-Mehrkonstellations-Empfängern, die Rohdaten für RTK, PPP und SBAS kombinieren, Zeit- und Bahnfehler modellieren und Integritätssignale auswerten. Dadurch entstehen Zentimeter- bis Dezimeterlösungen für Vermessung, autonome Systeme, Logistik und kritische Infrastruktur. Ergänzende Sensorfusion mit Trägheits- und 5G-Signalen mindert Jamming- und Spoofing-Risiken, während neue Dienste – etwa Galileos High Accuracy Service, GLONASS-K2, BeiDou-3-Erweiterungen und L5-First-Fix in Massenmarktgeräten – die Genauigkeit, Integrität und Ausfallsicherheit der globalen Positionierung weiter anheben.

Warum GPS Ergänzung braucht

GPS bildet das Rückgrat der globalen Positionierung, trifft jedoch in realen Szenarien auf physikalische und operative Grenzen. Abschattung in Stadtschluchten, dichte Vegetation und schwache Sendeleistungen erschweren die Sicht zu Satelliten, verschlechtern die Geometrie und erhöhen die Unsicherheit. Hinzu kommen ionosphärische Störungen, Mehrwegeeffekte, intentionaler und unintentionaler Funklärm sowie Wartungsfenster einzelner Konstellationen. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Genauigkeit, Verfügbarkeit, Integrität und Kontinuität in Mobilität, Landwirtschaft, Logistik und zeitkritischen Netzen.

Die Kombination mit anderen GNSS-Konstellationen und Korrekturdiensten schließt diese Lücken durch Redundanz, Frequenzvielfalt und Integritätsinformationen. Multikonstellation und Mehrfrequenz reduzieren Fehlerquellen, verbessern die Startzeit der Positionslösung und erhöhen die Robustheit gegen Störungen. Ergänzende Dienste wie SBAS (z. B. EGNOS/WAAS) liefern Integritätsalarme und Korrekturen, während RTK und PPP präzise Anwendungen im Zentimeterbereich ermöglichen.

• Mehr Satelliten: bessere Geometrie (niedrigeres DOP), stabilerer Fix unter Abschattung.
• Mehrfrequenz: ionosphärische Fehler kompensieren, Mehrwegeeffekte erkennen.
• Systemdiversität: Galileo, GLONASS, BeiDou, QZSS, NavIC erhöhen Verfügbarkeit und Kontinuität.
• Integrität: SBAS überwacht Signalqualität und warnt bei Abweichungen.
• Präzision: RTK/PPP liefern Zentimeter- bis Dezimeter-Genauigkeit für anspruchsvolle Workflows.
• Resilienz: Frequenz- und Konstellationsvielfalt mindert Risiken durch Jamming und Spoofing.

Stärken von Galileo und BeiDou

Galileo erweitert die globale Positionsbestimmung durch präzise Signale und robuste Integritätsfunktionen. Die zivile Kontrolle ermöglicht eine auf Anwendungen zugeschnittene Weiterentwicklung, während duale Frequenzen und das High Accuracy Service (HAS) dezimetergenaue Korrekturen bereitstellen. Das System verbessert in Kombination mit anderen Konstellationen die Geometrie, reduziert Mehrwegeffekte in Städten und beschleunigt die Erstfix-Zeit. Ein weiteres Merkmal ist die enge Verzahnung mit Rettungsdiensten: Die Rückmeldung im SAR-Dienst signalisiert, dass ein Notruf empfangen wurde, was die Reaktionskette verkürzt.

• Zivile Kontrolle: planbare Verfügbarkeit und klare Service-Level
• Signal-Authentifizierung (OSNMA): Schutz vor Spoofing
• Dualfrequenz & HAS: stabile Genauigkeit bis in den Dezimeterbereich
• SAR-Return-Link: bestätigte Notrufannahme
• Breites Signaldesign (E1/E5/E6): hohe Robustheit in urbanen Szenarien

BeiDou punktet mit einer hybriden Konstellation aus MEO-, GEO- und IGSO-Satelliten, die insbesondere über Asien-Pazifik eine dichte Sichtbarkeit gewährleistet. Der integrierte Kurzmitteilungsdienst ermöglicht Nachrichtenübertragung in abgelegenen Gebieten, während präzise PPP-Dienste die Genauigkeit für professionelle Anwendungen anheben. Inter-Satelliten-Verbindungen verbessern die Aktualität der Bahndaten, und moderne offene Signale (B1C/B2a) erhöhen die Interoperabilität. Zusammengenommen liefert das System eine hohe Verfügbarkeit in schwierigen Umgebungen und ergänzt andere GNSS hinsichtlich Redundanz und Resilienz.

• Hybrid-Konstellation: GEO/IGSO stärkt Abdeckung in niedrigen Breiten
• Kurzmitteilungsfunktion: Kommunikation zusätzlich zur Position
• PPP/B2b: präzise Korrekturen für Echtzeit- und Nah-Echtzeit
• Inter-Satelliten-Links: schnelle Ephemeriden-Aktualisierung
• Breitbandige Signale: robuste Mehrsystem-Nutzung mit geringer DOP

Robustheit durch Mehrsysteme

Mehrkonstellationen erhöhen die Ausfallsicherheit, indem zusätzliche Satelliten und Frequenzbänder die Geometrie verbessern und Redundanz schaffen. Selbst bei Abschattungen, Störungen oder atmosphärischen Effekten bleibt die Positionslösung stabiler, weil Messfehler sich gegenseitig ausmitteln und DOP-Werte sinken. Über RAIM/ARAIM und SBAS wird die Integrität überwacht; Galileo bringt mit OS‑NMA zusätzliche Authentizitätsmerkmale. Das Ergebnis sind robustere Fixes, konsistentere Timing‑Lösungen und eine höhere Kontinuität in dynamischen Umgebungen.

• Bessere Verfügbarkeit in Häuserschluchten und unter Laubdächern
• Niedrigerer GDOP durch mehr und besser verteilte Satelliten
• Frequenzdiversität (z. B. L1/E1 + L5/E5) reduziert ionosphärische Fehler
• Integrität via RAIM/ARAIM und SBAS-Korrekturen
• Schnellere TTFF dank mehr Kandidatensignalen
• Stabileres Timing durch zusätzliche Referenzuhren

In der Praxis werden Signale aus mehreren Konstellationen und Bändern via Kalman‑Filter und gewichteten Schätzern fusioniert, wodurch Mehrwegeeffekte gedämpft und Ausreißer erkannt werden. Dual‑/Triple‑Frequenz ermöglicht ionosphärenfreie Kombinationen; zusammen mit SBAS, RTK oder PPP entstehen zentimetergenaue Lösungen mit hoher Kontinuität – entscheidend für Luftfahrt‑Anflüge, maritime Navigation, Präzisionslandwirtschaft, Bauautomation, Drohnen und kritische Zeitsynchronisation in Netzen. Fällt eine Konstellation aus oder wird gestört, übernimmt die verbleibende Signalvielfalt ohne harte Unterbrechung der Dienstgüte.

Empfehlungen für Anwendungen

Multi-Konstellation und Multi-Frequenz erhöhen Verfügbarkeit, Genauigkeit und Robustheit gegenüber Abschattungen und Mehrwegeffekten. Für anspruchsvolle Umgebungen empfiehlt sich der kombinierte Empfang von GPS, Galileo, GLONASS und BeiDou auf mindestens zwei Bändern (z. B. L1/E1 und L5/E5a); regionale Systeme wie QZSS (Japan) und NavIC (Indien) ergänzen die Geometrie. Ergänzende Korrekturdienste wie SBAS (EGNOS/WAAS), RTK oder PPP verbessern die Positionslösung je nach Anwendung erheblich.

• Stadtschluchten: GPS + Galileo + BeiDou, duale Frequenzen (L1/L5/E1/E5a), optional QZSS in Japan; starker Fokus auf Mehrwege-Resilienz.
• Hohe Breiten: GLONASS + Galileo + GPS für stabile Geometrie; Ergänzung durch SBAS, wo verfügbar.
• Asien-Pazifik: BeiDou (B1C/B2a) + GPS + Galileo; QZSS in Ostasien für bessere Verfügbarkeit in urbaner Umgebung.
• Europa: Galileo + GPS mit EGNOS für Navigation; für Zentimeter-Niveau zusätzlich RTK aus lokaler Referenznetzinfrastruktur.
• Weite See-/Offshore-Bereiche: GPS + Galileo + BeiDou mit PPP für subdezimetergenaue, großflächige Abdeckung.
• Timing/Sync: GPS + Galileo, Mehrfrequenz und Disziplinierung durch lokale Oszillatoren zur Ausfalltoleranz.

Die konkrete Auswahl richtet sich nach Region, Genauigkeitsbedarf, Dynamik des Trägers und Verfügbarkeitsanforderungen. Integrierte Lösungen koppeln GNSS mit Trägheitsmessung (IMU) und Radsensorik, um Ausfälle zu überbrücken; für hochkritische Anwendungen kommen zusätzlich Authentisierungs- und Integritätsüberwachungen sowie Geofencing-Logiken zum Einsatz.

Warum ergänzen verschiedene Satellitensysteme das GPS?

Mehrere Satellitensysteme erhöhen Verfügbarkeit, Genauigkeit und Robustheit. Durch zusätzliche Satelliten steigt die Chance auf freie Sicht und bessere Geometrie. Redundanz mindert Ausfälle, und unterschiedliche Frequenzen reduzieren ionosphärische Fehler.

Welche globalen Systeme existieren neben GPS und was unterscheidet sie?

GPS wird durch GLONASS, Galileo und BeiDou ergänzt. Jedes System hat eigene Orbitkonfigurationen, Signalstrukturen und Servicelevel. Die Kombination liefert mehr sichtbare Satelliten, diverse Frequenzen und unabhängige Kontrollsegmente.

Wie verbessert Mehrfrequenz- und Multi-GNSS-Empfang die Genauigkeit?

Mehrfrequenzempfang ermöglicht die Eliminierung ionosphärischer Verzögerungen durch lineare Kombinationen. Zusätzlich verbessern moderne Signale mit höherer Bandbreite das Rauschniveau, während bessere Geometrie Dilution of Precision reduziert.

Welche Vorteile entstehen in schwierigen Umgebungen wie urbanen Schluchten?

In urbanen Schluchten und unter dichter Vegetation erhöhen zusätzliche Konstellationen die Wahrscheinlichkeit ausreichender Satellitensicht. Mehr Pfade erlauben robustere Positionslösung, mindern Mehrwegeffekte statistisch und verkürzen Time to First Fix.

Welche Rolle spielen Integrität und Zeitdienste bei der Kombination der Systeme?

Mehrere Systeme erhöhen Integrität durch Cross-Checks und differenzielle Verfahren. Für Zeitdienste liefern redundante Atomuhren bessere Stabilität. Kritische Anwendungen wie Luftfahrt, Notdienste und Netze profitieren von höherer Ausfallsicherheit.