Category: satellitennavigation

GPS, das Global Positioning System, bestimmt Positionen weltweit mittels Satellitensignalen. Ein Empfänger misst die Laufzeiten der Signale mehrerer Satelliten, nutzt präzise Atomuhren und berechnet per Trilateration Ort, Geschwindigkeit und Zeit. Atmosphärische Korrekturen, Referenzsysteme und Erweiterungen steigern die Genauigkeit für Navigation und Kartierung.

Inhalte

• Satelliten und Orbits erklärt
• Signalstruktur, Codes, Zeit
• Trilateration in der Praxis
• Fehlerquellen und Korrektur
• Tipps für hohe Genauigkeit

Satelliten und Orbits erklärt

GPS-Satelliten kreisen in der mittleren Erdumlaufbahn (MEO) in rund 20.200 km Höhe, mit einer Umlaufzeit von ca. 11 Stunden 58 Minuten und einer Inklination von etwa 55°. Diese Konfiguration bietet einen ausgewogenen Kompromiss aus globaler Abdeckung, moderater Signallaufzeit und geringeren atmosphärischen Störungen. An Bord befinden sich hochstabile Atomuhren, präzise Navigationstransmitter und Systeme zur Bahnverfolgung. Die genaue Position jedes Satelliten wird über Ephemeriden im Navigationssignal mitgeteilt, während der Almanach grobe Bahndaten der gesamten Konstellation liefert.

• Weltweite Abdeckung: Hohe Bahnen vergrößern den Footprint und sichern Sichtbarkeit über weite Regionen.
• Stabile Geometrie: Gleichmäßig verteilte Satelliten verbessern die Positionsgenauigkeit (günstige DOP-Werte).
• Signalqualität: Geringere Einflüsse durch Troposphäre und Hindernisse als bei sehr niedrigen Orbits.
• Effizienz: Weniger Satelliten als in LEO nötig, dennoch kontinuierliche Verfügbarkeit.

Orbittyp	Höhe	Umlaufzeit	Abdeckung	Laufzeit (einfach)
LEO	500-2.000 km	~95-130 min	klein, schnell wechselnd	~2-7 ms
MEO (GPS)	~20.200 km	~11 h 58 min	groß, mehrere sichtbar	~67-86 ms
GEO	35.786 km	~23 h 56 min	stationär über Region	~120 ms

Die GPS-Konstellation ist auf sechs Bahnebenen verteilt, mit mindestens 24 operativen Satelliten (meist 30+ aktiv), sodass typischerweise 8-12 Signale gleichzeitig empfangen werden. Für eine 3D-Position inklusive Zeitversatz sind mindestens vier Satelliten nötig; zusätzliche Signale verbessern die Robustheit gegenüber Abschattungen und Mehrwegeffekten. Präzision entsteht durch die Kombination aus exakten Bahndaten, stabilen Uhren und kontinuierlichen Korrekturen (u. a. relativistische Effekte und ionosphärische Modelle), die im Systemdesign berücksichtigt sind.

• Bahnhöhe: bestimmt Footprint und Signallaufzeit.
• Inklination: steuert Abdeckung in höheren Breiten.
• Umlaufzeit: beeinflusst Satellitenwechsel am Himmel.
• Exzentrizität: idealerweise gering für konstante Signalgeometrie.
• Bahnebenenverteilung: sichert gleichmäßige Sichtbarkeit weltweit.

Signalstruktur, Codes, Zeit

GPS sendet geschichtete Funksignale: Eine hochstabile Trägerfrequenz (L1, L2, L5) wird mit pseudozufälligen Rauschsequenzen (PRN) und einem langsamen Navigationsdatenstrom überlagert. Die Spreizung durch C/A‑Code (1,023 Mcps) und P(Y)‑Code (10,23 Mcps) ermöglicht Code-Division-Multiple-Access und robuste Korrelation selbst bei niedrigem Signal-Rausch-Verhältnis. Modernisierte zivile Signale (L1C, L2C, L5) kombinieren Daten- und Pilotkanäle (I/Q) sowie Modulationsvarianten wie BPSK, QPSK und TMBOC, um Mehrwegeeffekte zu dämpfen, Akquisition zu beschleunigen und Genauigkeit zu verbessern.

Die Positions- und Zeitlösung basiert auf präziser Laufzeitmessung: Aus der Codephase entsteht die Pseudostrecke, die Trägerphase liefert hochauflösende, zentimetertaugliche Beobachtungen. Zeitreferenz ist GPS Time (GPST), epochenfest seit 1980‑01‑06 und ohne Schaltsekunden; der Offset zu UTC beträgt derzeit 18 s und wird im Navigationsdatenstrom signalisiert. Empfänger schätzen gleichzeitig Position (x, y, z) und Uhrfehler, während Satelliten Uhren- und Bahnkorrekturen senden; Dualfrequenz reduziert ionosphärische Verzögerungen, und Modelle berücksichtigen Troposphäre, Relativistik und Sagnac-Effekt.

• Träger: L1, L2, L5 für Robustheit, Redundanz und Ionosphärenkorrektur
• Codes: PRN-Sequenzen zur Identifikation der Satelliten und Spreizung des Spektrums
• Nachrichten: 50 bps (Legacy) mit Ephemeriden, Almanach, Gesundheits- und Zeitparametern
• Pilot/Daten: Getrennte Kanäle verbessern Akquisition und Phasenstabilität

Band	Frequenz	Signal(e)	Code-Rate	Modulation	Zweck
L1	1575,42 MHz	C/A, P(Y), L1C	1,023 / 10,23 Mcps	BPSK(1), TMBOC	Basis zivil, modernisiert, militär
L2	1227,60 MHz	L2C, P(Y)	1,023 / 10,23 Mcps	BPSK(1)/(10)	Präzision zivil, militär
L5	1176,45 MHz	L5I/L5Q	10,23 Mcps	QPSK	Safety‑of‑Life, hohe Genauigkeit

Trilateration in der Praxis

Im praktischen Einsatz entstehen Positionen aus gemessenen Pseudodistanzen zu mehreren Satelliten: Jede Distanz definiert eine Kugel um den Satelliten, deren Schnitt den Standort ergeben soll. Da die Empfängeruhr nicht perfekt ist, wird neben den drei Raumkoordinaten auch ein Uhrfehler geschätzt, wofür mindestens vier Satelliten erforderlich sind. Basis dafür sind präzise Ephemeriden und die Umrechnung der Signallaufzeit mit Lichtgeschwindigkeit, ergänzt um Korrekturen für Ionosphäre, Troposphäre und relativistische Effekte. Störfaktoren wie Abschattungen, Multipath und schwache Träger-Phasen werden durch Modellierung und Filterung gedämpft.

• Satellitenauswahl: Gute Geometrie (niedriger PDOP) und stabile Signalstärken priorisieren.
• Laufzeit → Entfernung: Zeitdifferenz messen, mit c multiplizieren, Pseudodistanz ableiten.
• Sphärenschnitt: Gleichungssystem lösen, Position und Uhrversatz simultan schätzen.
• Korrekturen: Atmosphärenmodelle, Antennen-Offsets und Multipath-Mitigation anwenden.

Die erreichbare Genauigkeit wird von Satellitengeometrie, Signalqualität und verfügbaren Korrekturdiensten bestimmt. In urbanen Schluchten dominieren Mehrwegeffekte, während in offenem Gelände atmosphärische Verzerrungen ins Gewicht fallen. Robuste Systeme kombinieren SBAS/DGNSS oder RTK mit Trägerphasen-Auswertung und Kalman-Filtern zur Glättung, oft ergänzt durch Inertialsensoren zur Stabilisierung bei kurzzeitigen Signalabbrüchen.

Korrektur	Typische Wirkung
SBAS (z. B. EGNOS)	≈ 1-2 m
DGPS/DGNSS	< 1 m
RTK (Trägerphase)	1-3 cm

Fehlerquellen und Korrektur

Positionsfehler entstehen aus physikalischen, geometrischen und technischen Einflüssen, die Signal-Laufzeiten verfälschen oder Messungen verrauschen. Besonders in urbanen Schluchten und unter dichter Vegetation addieren sich Effekte, wodurch Genauigkeit und Integrität schwanken.

• Atmosphäre: Ionosphärische und troposphärische Verzögerungen verändern die Laufzeit um Dezimeter bis mehrere Meter.
• Mehrwegeffekte (Multipath): Reflexionen an Gebäuden, Wasser oder Metall erzeugen phasenverschobene Signale und Scheinentfernungen.
• Satellitengeometrie (DOP): Ungünstige Winkelverteilung verstärkt Messfehler; wenige, gebündelte Satelliten erhöhen den Positionsfehler.
• Uhren- und Bahndaten: Satellitenuhren- und Ephemeridenfehler wirken systematisch, werden jedoch durch Korrekturdienste reduziert.
• Empfänger und Antenne: Rauschen, Quantisierung, Antennenkalibrierung und Abschattung beeinflussen Pseudostrecken.
• Interferenzen: Jamming und Spoofing stören oder verfälschen das Signal, insbesondere nahe Störquellen.

Korrekturverfahren kombinieren Frequenzvielfalt, Referenzdaten und robuste Schätzalgorithmen, um systematische Anteile zu modellieren und zufällige zu glätten. Je nach Genauigkeits-, Latenz- und Integritätsanforderung kommen globale, regionale oder lokale Lösungen zum Einsatz.

• Dualfrequenz + Modelle: Eliminierung ionosphärischer Fehler durch Kombination (z. B. L1/L5), troposphärische Modelle ergänzend.
• SBAS (z. B. EGNOS): Satellitengestützte Korrekturen für Uhr/Ephemeriden und Integritätsinfos; Genauigkeit typ. 1-3 m.
• DGPS/RTK: Bodengestützte Referenzen; codebasiert Dezimeter- bis Meter, carrier-phasenbasiert (RTK/Netz-RTK) Zentimeter in Echtzeit.
• PPP: Präzise Satellitenuhren/-bahnen ohne lokale Basisstation; Zentimeter bis Dezimeter nach Konvergenz.
• Multipath-Mitigation: Antennendesign (Choke-Ring), Signalverarbeitung, Elevationsmasken und Qualitätsmetriken.
• Sensorfusion: IMU, Raddrehzahl, Barometer und Kartenabgleich stabilisieren die Lösung in Abschattung und Übergängen.
• Integritätsüberwachung: RAIM/ARAIM detektiert Ausreißer und erhöht Verfügbarkeit für sicherheitskritische Anwendungen.

Tipps für hohe Genauigkeit

Höhere Präzision beginnt mit den richtigen Rahmenbedingungen: Freie Sicht zum Himmel verbessert die Satellitengeometrie und senkt DOP-Werte, während Abschattungen durch Gebäude, Bäume oder Fahrzeugdächer Multipath-Effekte verstärken. Moderne Empfänger profitieren von Mehrfrequenz (z. B. L1/L5) und dem parallelen Empfang mehrerer GNSS (GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou); dadurch werden Laufzeitfehler minimiert und Fixes stabiler. Wichtig ist zudem eine ruhige, horizontale Gerätehaltung, da integrierte Antennen meist nach oben abstrahlen, und genügend Zeit zum Laden aktueller Ephemeriden (AGPS-Daten) für einen stabilen Fix.

• Freie Himmelssicht: offenere Standorte wählen; Abstand zu Fassaden, Brücken und Metallflächen halten.
• Mehrfrequenz/GNSS: L5/Mehrband aktivieren; GPS mit Galileo kombinieren, wenn verfügbar.
• Antennenhaltung: Gerät ruhig und waagrecht; keine Abdeckung durch Hand, Rucksack oder Fahrzeugdach.
• Aufwärmzeit: nach dem Start 30-60 s für stabile C/N0-Werte einplanen; AGPS-Daten aktuell halten.
• Störquellen meiden: nahe WLAN/BT-Hotspots, starke Funksender, Hochspannungsleitungen und nasse Flächen reduzieren.

Für noch präzisere Ergebnisse kommen Korrekturdienste ins Spiel: SBAS/EGNOS verbessert Meter-Level, DGNSS und RTK ermöglichen Dezimeter- bis Zentimeter-Level, abhängig von Basisstationen oder einem NTRIP-Zugang. Qualität lässt sich über HDOP/PDOP, C/N0 und die Anzahl/Frequenzen der genutzten Satelliten bewerten. Statik hilft: Bei punktgenauen Vermessungen liefert Zeitmittelung über 1-5 Minuten oft deutlich bessere Koordinaten als Einzelmessungen; bewegte Anwendungen profitieren von kontinuierlicher Sicht und stabiler Halterung.

• Korrekturdienste: SBAS aktivieren; bei Bedarf DGNSS/RTK via NTRIP nutzen, falls Gerät/Empfänger kompatibel.
• Qualitätsmetriken: niedrige DOP-Werte, hohe C/N0, mehrere Bänder/Sternsysteme bevorzugen.
• Zeitmittelung: statische Messungen 60-300 s mitteln; Ausreißer vor der Mittelung filtern.
• Profil/Modus: präzisen Standortmodus wählen; Energiesparen vermeiden, das GNSS-Abtastraten drosselt.
• Firmware/Apps: aktuelle Empfänger-Firmware; Apps mit DOP/CN0-Anzeige und NTRIP-Unterstützung einsetzen.

Verfahren	Typischer Fehler	Infrastruktur
Autonom	2-5 m	keine
SBAS/EGNOS	1-3 m	Sat-Korrektur
DGNSS	0,5-1 m	Basis/Netz
RTK	1-3 cm	NTRIP/Basis
PPP	10-30 cm	Präzise Orbits

Was ist GPS und wozu dient es?

GPS ist ein globales Satellitennavigationssystem der USA für Ortung, Navigation und Zeitgebung. Eine Konstellation aus Satelliten sendet präzise Zeit- und Bahndaten, die Empfänger auswerten, um Position, Geschwindigkeit und Zeit zu bestimmen.

Wie bestimmt GPS die Position?

Der Empfänger misst die Laufzeiten der Funksignale mehrerer Satelliten und berechnet daraus die Entfernungen. Aus dem Schnittpunkt mehrerer Kugeln (Trilateration) ergibt sich die Position; ein vierter Satellit korrigiert den Uhrenfehler des Empfängers.

Warum ist genaue Zeitmessung beim GPS wichtig?

GPS-Signale tragen Zeitstempel, aus denen Entfernungen per Lichtgeschwindigkeit berechnet werden. Nanosekundenabweichungen bedeuten Meterfehler. Satelliten besitzen Atomuhren; Bodenstationen synchronisieren Bahnen und Zeit, Empfänger schätzt den eigenen Uhrenoffset.

Welche Fehlerquellen gibt es und wie werden sie reduziert?

Genauigkeit leidet durch Ionosphäre, Troposphäre, Multipath, Abschattung, Geometrie (GDOP) sowie Uhren- und Bahndatenfehler. Korrekturen liefern SBAS/EGNOS und DGPS/RTK; Mehrfrequenz, gute Antennen und Filter verbessern Robustheit und Präzision.

Worin unterscheiden sich GPS, Galileo, GLONASS und BeiDou?

Alle sind GNSS mit eigener Satellitenflotte, Frequenzen und Diensten. GPS (USA), Galileo (EU), GLONASS (Russland) und BeiDou (China) sind interoperabel; Mehrsystem-Empfänger erhöhen Verfügbarkeit, Integrität und Genauigkeit, teils mit zusätzlichen Präzisionsdiensten.