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Allgemeines

 

Um die Funktionsweise von Global Navigation Satellite Systems (GNSS) richtig zu verstehen, ist es hilfreich sich das Grundkonzept zur Nutzung von Satelliten vor Augen zu halten. Dabei werden die Satelliten als weithin sichtbare Hochziele betrachtet, die gleichzeitig von verschiedenen Punkten auf der Erde beobachtet werden können.

In Anlehnung an das klassische, terrestrische Vermessungsnetz, können sie als Festpunkte am Himmel betrachtet werden.

Die Satelliten beschreiben dabei ellipsengleiche Flugbahnen, wobei die Satellitenposition als Funktion der Zeit dargestellt wird.

 

Verwaltet werden die Satelliten von dem sog. Kontrollsegment, einem Netz aus Überwachungsstationen. Darüber hinaus werden dort die Satellitenbahndaten (Broadcast Ephemeriden) und die Satellitenzeit berechnet und diese in den Datenspeicher jedes Satelliten eingespeist. Mit diesen Informationen, die dann von den Satelliten abgestrahlt werden, berechnen öffentliche Informationsdienste die präzisen Bahndaten, um sie zivilen Nutzern verfügbar zu machen. Ein Beispiel hierfür ist der IGS (Internationaler GPS Geodynamics Service).

 

Die verschiedenen GNSS

 

Galileo:

Das neueste und modernste Satellitennavigationssystem mit Satelliten in ca. 23.000 km Höhe. Im Jahr 2014 stand der erste nutzbare Satellit (FOC) des europäischen Satellitennavigationsystems zur Verfügung, im Jahr 2020 soll der Endausbau mit 30 Satelliten vollzogen sein. Galileo steht unter ziviler Kontrolle, ganz im Gegensatz zu den militärischen Systemen GPS und GLONASS. Die Umlaufdauer der Satelliten beträgt etwa 14 Stunden, wodurch sich die Konstellation an einer Position im Vergleich zum Vortag immer deutlich verändert.

 

GPS:

Das bekannteste satellitengestützte Navigationssystem ist das NAVSTAR GPS (Navigation System with Time and Ranging Global Positioning System). Dieses System wurde vom amerikanischen Militär entwickelt und liefert dem Nutzer, wie die anderen Systeme auch, genaue dreidimensionale Positions- sowie Zeitinformationen. Die dafür notwendigen Daten senden Satelliten in etwa 20.000 km Bahnhöhe. Jeder dieser Satelliten umkreist die Erde einmal in 11 Stunden und 58 Minuten, womit er also jeden Tag dieselbe Stelle 4 Minuten früher passiert als am Vortag.

 

GLONASS:

In Russland wird seit über 20 Jahren ein ähnliches System militärischen Ursprungs mit dem Namen GLONASS (Global Navigation Satellite System) betrieben. GLONASS funktioniert nach demselben Prinzip wie GPS, verfügt aber über etwas weniger nutzbare Satelliten. Diese umkreisen die Erde in ca. 19.000 km Höhe und benötigen für einen Umlauf 11 Stunden und 15 Minuten.

 

Sowohl die Signale der GPS- als auch die der GLONASS-Satelliten werden von SAPOS® Baden-Württemberg korrigiert. Mehr Informationen zu GNSS...

 

 

Die Funktionsweise ist bei allen GNSS gleich und soll hier näher erläutert werden.

 

 

GNSS-Signale

 

Bei Satellitenmessungen hat man es mit drei Typen von Signalen zu tun, die als elektromagnetische Wellen von allen Satelliten ausgesendet werden:

 

1. Datensignale:

Jeder Satellit sendet seine Bahndaten, den Aussendezeitpunkt und allgemeine Systemdaten

 

2. Trägerwellen:

Galileo Satelliten strahlen grundsätzlich drei verschiedene Trägerwellen ab, GPS- und GLONASS-Satelliten ursprünglich nur zwei. Neuere Satelliten senden aber auch hier eine Trägerwelle auf einer dritten Frequenz was die Qualität der Positionsbestimmung verbessert. Bei Galileo und GPS sind das feste, bei GLONASS verschiedene Frequenzen.

 

3. Codesignale:

Diese werden den Trägerwellen aufmoduliert. Hier am Beispiel "GPS":

- C/A-Code (grob, zivil) + P-Code (genau, verschlüsselt) : auf Trägerwelle 1 

- P-Code (genau, verschlüsselt) +  C-Code (grob, zivil) auf neuen Satelliten : auf Trägerwelle 2

 

Die Frequenzen der Galileo Satelliten wurden so gewählt, dass Sie teilweise mit den Signalen der anderen Satellitensysteme kompatibel sind und eine kombinierte Nutzung der verschiedenen Satellitennavigationssysteme möglich machen. Z.B. die Trägewellen L1 und L5 von Galileo und GPS.

Eine Besonderheit von GLONASS ist, dass alle russischen Satelliten identische Signale auf unterschiedlichen Frequenzen senden (FDMA). Bei Galileo und GPS aber alle Satelliten unterschiedliche Signale auf gleichen Frequenzen (CDMA). Die neuesten GLONASS Satelliten werden aber dem CDMA-Modell angeglichen.

 

Da GPS und GLONASS militärischen Ursprungs sind, und um der Öffentlichkeit nicht die volle Systemgenauigkeit zu ermöglichen, ist der präzisere Code verschlüsselt (Anti-Spoofing, AS).

Folge ist, dass nur der ungenauere Code genutzt werden kann.

Um in Zukunft den zivilen Bereich zu verstärken, strahlen die neuesten Satelliten auch auf der zweiten Frequenz einen unverschlüsselten Code ab, was zivilen Anwendern künftig Zweifrequenzmessungen ermöglicht. Damit können die ionosphärischen Fehler besser eliminiert und die Genauigkeit gesteigert werden.

 

Bei reinen Navigationsmessungen (z.B. Navigationsempfänger im Auto oder Smartphone) ist die Nutzung der Codesignale ausreichend. Mit modernen Empfängern können damit Genauigkeiten von bis zu unter einem Meter erreicht werden. Soll diese allerdings bis in den cm Bereich verbessert werden, so ist die Nutzung der Trägerwellen unabdingbar.