GPS - Global Positioning System

GPS ist ein satellitengestütztes Navigationssystem mit 32 aktiven Satelliten (Stand: 2014) und heißt vollständig "Navigational Satellite Timing and Ranging - Global Positioning System" (NAVSTAR-GPS). Das Verteidigungsministerium der USA (Department of Defense, DOD) ist der Betreiber von GPS und hat es hauptsächlich für militärische Zwecke vorgesehen. GPS wurde am 17. Juli 1995 offiziell in Betrieb genommen.

Hinweis: GPS ist kein Ortungssystem. Es ist eine satellitengestütztes Navigationssystem und Positionsbestimmungssystem. Ein Ortungssystem bräuchte neben der Positionsbestimmung einen Rückkanal zur ortenden Stelle. Diesen Rückkanal hat GPS nicht. Allerdings kann dieser Rückkanal zum Beispiel mit Mobilfunk integriert werden.

Mit GPS lässt sich der Standort und die Zeit ermitteln. Die Standortbestimmung umfasst die geographische Länge und Breite, sowie die Höhe. Die Genauigkeit liegt zwischen 13 Meter und 1 Millimeter. Genauigkeiten unter 2 Meter sind nur mit viel Aufwand (Differential-GPS) erreichbar. Übliche GPS-Empfänger und Handys haben eine Genauigkeit von 13 bis 2 Meter. Die horizontale Genauigkeit liegt bei 10 bis 15 Meter.
Drei Satelliten werden benötigt, um Längen-, Breitengrad und Höhe errechnen zu können. Der vierte Satellit wird benötigt, um die Uhr des Empfängers mit den Uhren der Satelliten synchronisieren zu können. Die Zeiten müssen absolut übereinstimmen, sonst kommt es zur Fehlberechnung.
Einfach ausgedrückt, wird aus der Laufzeit des Signals vom Satelliten die Entfernung zum Satelliten vom Empfänger errechnet. In Kombination mit mehreren Satelliten kann man die Position auf der Erdoberfläche bestimmen (Triangulation).
Anfangs wurde die Genauigkeit der Satelliten-Signale künstlich verschlechtert. Damit war die Positionsbestimmung nahezu unbrauchbar. Nur für militärische Zwecke wurde ein spezielles Signal ausgesendet, das nur mit einem speziellen und geheimen Code entschlüsselt werden konnte. Am 1. Mai 2000 wurde die künstliche Ungenauigkeit bei allen Satelliten abgeschaltet. Mit dem empfangenen Signal konnte erstmals ein präziser Standort ermittelt werden. Das führte zu einem Anstieg der Navigationssysteme für Fahrzeuge.
Bei GPS umkreisen 32 Satelliten (3 davon in Reserve) in 20.183 km Höhe die Erde. Es handeln sich dabei aber um keine geostationären Positionen. Die Satelliten bewegen sich auf genau festgelegten Bahnen, so dass je nach Standort und Empfangsbedingungen 6 bis 10 gleichzeitig sichtbar sind. Mindestens 4 Satelliten sind überall auf der Erde sichtbar. Wobei mit Sichtbarkeit die Anzahl der empfangbaren Satelliten-Signale gemeint ist.

GPS-Empfänger

Die erste Positionsbestimmung nach dem Einschalten eines GPS-Empfängers, wird "fix" genannt. Die Zeit vom Einschalten bis zur ersten Positionsbestimmung nennt man "time-to-first-fix" (ttff).
Zur Bestimmung von Länge, Breite und Höhe muss der GPS-Empfänger die Signale von 4 Satelliten empfangen können. Der GPS-Empfänger erfasst die Laufzeit der Satelliten-Signale um daraus dann Länge, Breite und Höhe zu berechnen.
Nach der ersten Positionsbestimmung wird das Ergebnis gespeichert und ständig aktualisiert. Auch die Angaben über die Satelliten werden gespeichert und gegebenenfalls erneuert. Wird der GPS-Empfänger stromlos, dann behält er die Daten im Speicher. Wird er wieder eingeschaltet, versucht er die Signale der bereits bekannten Satelliten zu finden. Wenn er sie finden kann, dann erfolgt die erste Positionsbestimmung nach dem Einschalten schneller als beim aller ersten mal.

Der Stromverbrauch von GPS-Modulen hat sich in den letzten Jahren deutlich verringert. Und auch die Miniaturisierung ist vorangeschritten. Daher macht es Sinn ein GPS-Modul in Handys einzubauen. Ein paar Bauteile mehr machen das Handy nicht viel größer und schwerer.

Positionsbestimmung mit GPS

Hinweis: Die folgende Beschreibung ist vereinfacht ausgedrückt. Das GPS-Signal, dessen Übertragung und Dekodierung ist deutlich komplexer. Zum besseren Verständnis wurden Details gestrichen und die Komplexität reduziert.

Das GPS-Signal wird per Spread-Spectrum-Verfahren erzeugt und mit einer Datenrate von 50 Bit/s parallel auf zwei Trägerfrequenzen gesendet (L1 und L2). Die Übertragung aller Informationen dauert rund 12,5 Minuten. Dabei werden die wichtigsten Informationen höchstens alle 30 Sekunden wiederholt. Die Trägerfrequenzen sind L1 auf 1.575,42 MHz und L2 auf 1.227,60 MHz. Der Einsatz von zwei Frequenzen verhindert Fehler, die durch die ionosphärische Brechung der Funkwellen entstehen. Außerdem können zwei Genauigkeitsklassen für die Positionsbestimmung angeboten werden. Eine zusätzliche dritte L5-Frequenz sendet auf 1.176,45 MHz. Sie verbessert Empfang und ist für die Luftfahrt und lebensrettende Anwendungen vorgesehen.
Auf der L1-Sendefrequenz werden der PRN-Code (Pseudo Random Noise), den C/A-Code (Coarse/Aquisition) für den zivilen Bereich und der nicht öffentliche P/Y-Code (Precision/Encryptet), der militärischen Anwendungen vorbehalten ist, übertragen. Die Genauigkeit des P/Y-Codes liegt bei 3 bis 5 Metern.
Die Codes haben eine Länge von 1.023 Bit. Darin sind Informationen über Sendezeit, Datum, den aktuellen Standort, Korrekturen, Zustand und die Bahndaten aller anderen Satelliten enthalten. Die L2-Frequenz übermittelt nur den P/Y-Code.

Die Satelliten strahlen ihre Signale nur mit einer geringen Leistung ab. Auf der Erde kommt nur noch ein Signal an, das im Rauschen untergeht. Der Grund ist, das System sollte ursprünglich den militärischen Anwendungen vorbehalten sein.
Der GPS-Empfänger hört beim Einschalten (fix) die Frequenz L1 breitbandig ab. Aus dem Rauschen demoduliert er eine Folge von Nullen und Einsen. Der Empfänger versucht eine bestimmte Folge zu erkennen. Jeder Satellit hat ein eigenes Codemuster. Mit Hilfe des Pseudo Random Noise (PRN) werden die Satelliten identifiziert. Im PRN-Code ist auch die Kennung der Satelliten enthalten. Der Empfänger rastet irgendwann ein und demoduliert das Signal schmalbandig weiter.
Mit Code Division Multiple Access (CDMA) als Vielfach-Zugriffsverfahren greift der Empfänger auf die verschiedenen Signale der Satelliten zu.
Die C/A-Codes sind für den Empfänger mit einer Wiederholrate von 1 MHz immer wieder zu erkennen. Diese Daten werden für die Bestimmung der Postion gebraucht. Die Dauer, bis die Daten vorliegen, ist abhängig von der Empfindlichkeit und Schnelligkeit des GPS-Empfängers. Nach der Initialisierungsphase beginnt der GPS-Empfänger die eigene Position zu berechnen. Dazu nutzt er die Laufzeit des Satellitensignals, um mit der Lichtgeschwindigkeit (bekannt) die Entfernung zum Satelliten zu berechnen.

Jeder Messwert ergibt die Position des GPS-Empfängers auf einer kugelförmigen Schale um den Satelliten. Ein Messwert (ein Satelliten-Signale) allein bringt für die Positionsbestimmung überhaupt nichts. Auch ein zweiter Messwert (zweites Satelliten-Signale) reduziert die Position in der Schale nur auf eine kreisförmige Linie. Erst mit dem dritten Messwert (drittes Satelliten-Signale) kann die Position des Empfängers auf oder über der Erde berechnet werden (erdnaher Schnittpunkt).
Diese Berechnung hat eine gewisse Ungenauigkeit, die durch die Unterschiede der Uhren im Satelliten und im Empfänger erzeugt wird. Deshalb wird das Signal eines vierten Satelliten gebraucht, um diesen Fehler zu reduzieren. Im Prinzip gleicht der vierte Satellit den Zeitfehler aus, der dadurch entsteht, dass die Satelliten mit einer Atomuhr und der Empfänger mit einem Quarz ausgestattet sind. Die Satelliten haben jeweils zwei Cäsium-Atom-Uhren und zwei Rubidium-Atom-Uhren. Die Uhren vermindern Messfehler und verbessern die Kurz- und Langzeitkonstanz.
Das GPS-Signal hat unter freiem Himmel einen Pegel von mindestens -160 dBW (-130 dBm). Erschwerend kommt hinzu, dass das Maximum der spektralen Leistungsdichte von den empfangenen GPS-Signale nur -190 dBm/Hz beträgt. Das Signal liegt also unter der spektralen Rauschleistungsdichte (etwa -174 dBm/Hz bei 290 K oder 17 Grad Celsius). Das Signal ist im besten Fall also immer noch schwächer als das Rauschen. Über eine spezielle Demodulation und eine Rückspreizung wird die Leistungsdichte des GPS-Empfangssignals erhöht. Durch den sogenannten Systemgewinn liegt das Signal danach 27 dB über dem Rauschen.

Um den GPS-Empfang zu verbessern wird die Eingangsempfindlichkeit erhöht, die TTFF-Zeit verkürzt und die Störempfindlichkeit gegen Interferenzen durch Mehrwegeausbreitung erhöht.
In Gebäuden liegt die Stärke des GPS-Signals etwa 30 dB unter dem im freien Gelände. Allein mit verbesserter Signalverarbeitung lässt sich da nichts erreichen. Nur Antennen, die unempfindlicher gegen Störungen sind und das GPS-Signal selektiv empfangen können, wären eine Lösung. Die Abmessung dieser Antennen wäre deutlich größer als die übliche Antennen in den GPS-Empfängern. Weil die Entwicklung in Richtung immer kleinerer Geräte geht, ist das nicht erwünscht. Ohne Größenzuwachs bleiben noch rauscharme Eingangsstufen und hohe Verstärkungen, um den Empfang des GPS-Signals zu verbessern.

Genauigkeit

Die Angaben zur Genauigkeit der GPS-Positionsbestimmung sind sehr unterschiedlich. Dabei muss man berücksichtigen, von wann sie stammen und mit welchen Methoden sie bestimmt wurden und welche äußeren Bedingungen für den verwendeten GPS-Empfänger bestanden haben.
Anfangs hatten die Signale für zivile Anwendungen eine künstliche Ungenauigkeit (selective availability, SA). Bei der SA handelt es sich um einen künstlichen Fehler der Uhrzeit auf der L1-Frequenz. Dadurch entstand eine ungenaue Positionsbestimmung. Bei einem eingeschalteten SA, liegt die Positionsgenauigkeit im Bereich von 100 m.
Am 1. Mai 2000 wurde diese künstliche Ungenauigkeit bei allen Satelliten abgeschaltet. Seit dem liegen die berechneten Positionen in der Regel in einem Umkreis von unter 12 Meter. Mit dem empfangenen Signal konnte ein präziserer Standort ermittelt werden. Das führte zu einem Anstieg der Navigationssysteme für Fahrzeuge.
Über die Abschaltung der SA entscheidet der US-Präsident jedes Jahr aufs Neue. Aufgrund dieser Abhängigkeit will die EU ein eigenes Satelliten-Navigationssystem mit dem Namen Galileo einrichten.
Die Genauigkeit der Positionsbestimmung ist von vielen Faktoren abhängig. Beispielsweise ist es ungünstig, wenn die Satelliten zu eng beieinander stehen. Auch kann die Antenne des GPS-Empfängers nicht empfindlich genug sein.

Störungen durch die Ionospäre 5 m
Schwankungen der Satellitenumlaufbahnen 2,5 m
Uhrenfehler der Satelliten 2 m
Mehrwegeffekte 1 m
Rechnungs- und Rundungsfehler 1 m
Störungen durch die Troposphäre 0,5 m
Die Genauigkeit der Positionsberechnung ergibt sich aus dem Zeitfehler und den Störungen in der Atmosphäre, die die Laufzeit der Satellitensignale beeinflussen. Um Einflüsse aus der Ionosphäre auszugleichen, werden auf Korrekturdaten von Satellite Based Augmentation Systems (SBAS) zurückgegriffen. Eines dieser Systeme ist das EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service). Es steigert die Genauigkeit von GPS und auch des russischen GLONASS von 10 bis 20 m auf 1 bis 3 m. Weitere SBAS sind das amerikanische WAAS (Wide Area Augmentation System) und das japanische MSAS (MTSAT Satellite Based Augmentation System).

Wenn keine freie Sicht zum Himmel besteht, dann tritt der Multipath-Fehler auf. Das kommt auch dann vor, wenn große Hindernisse in der Nähe zum Empfänger stehen. Dieser Fehler lässt sich durch den Empfang von mehr als vier Satellitensignalen verhindern oder alternativ durch den Einsatz von D-GPS.

NMEA - National Marine Electronic Association

Ein GPS-Empfänger liefert sein Ausgangssignal im NMEA-Format auf einer seriellen Schnittstelle (RS232). Bei GPS-Empfängern mit USB-Schnittstelle wird die RS232-Schnittstelle durch einen Software-Treiber simuliert. Das NMEA-Datenformat wurde zum Zweck der Verbindung zwischen verschiedenen Navigationsgeräten entwickelt. Die Daten werden im Klartext auf der Schnittstelle ausgegeben. Mit einem Terminalprogramm kann man sie auslesen.

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