Global Navigation Satellite System
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Global Navigation Satellite System (GNSS), zu deutsch etwa weltweites Navigationssatellitensystem, ist die Bezeichnung für ein System zur Positionsbestimmung und Navigation auf der Erde und in der Luft durch den Empfang von Satellitensignalen und Signalen von Pseudoliten. Zunächst hieß es Navstar – Global Positioning System (GPS), heute ist mit GPS speziell das US-amerikanische System gemeint.
GNSS-Satelliten teilen über Funk ihre genaue Position und Uhrzeit mit. Zur Positionsbestimmung muss der Beobachter die Signale von mindestens vier unabhängigen Satelliten gleichzeitig empfangen. Durch Bestimmung der Laufzeit und Triangulierung leitet er daraus seine eigene Position ab.
Um die Signale mit mobilen und möglichst kleinen Empfangsgeräten (z. B. im Einsatz von Lenkwaffen) auffangen zu können, sind die Satelliten in erdnahen Orbits stationiert. Aus physikalischen Gründen ist mit der geringen Höhe über der Erdoberfläche eine Bahngeschwindigkeit verbunden, die erheblich über der Rotationsgeschwindigkeit der Erde liegt. Deshalb wird, um mindestens drei, besser vier Satelliten an jedem beliebigen Ort jederzeit zur Verfügung zu haben, eine sogenannte Konstellation von 24, besser 32 Satelliten benötigt. So lässt sich sicherstellen, dass der sich auf den Betrachter zubewegende Satellit am Horizont (für das Auge unsichtbar) „aufgeht“, bevor der vorangegange Satellit – vom Betrachter sich entfernend – am Horizont „untergeht“.
Stationäre Empfangsstationen verbessern die Positionsgenauigkeit, indem sie Korrektursignale (DGPS) an die Nutzer übermitteln. Satellitengestütze Zusatzsysteme, engl. Satellite-Based Augmentation Systems (SBAS), sind das europäische EGNOS, das US-amerikanische WAAS, das japanische MSAS und das indische GAGAN, die die Korrektursignale über geostationäre Satelliten abstrahlen. Das chinesische System Compass befindet sich noch im Aufbau.
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[Bearbeiten] Arbeitsweise
Bei der Standortbestimmung über Satelliten misst man de facto die Entfernungen zu den Satelliten. Jede dieser Entfernungen definiert eine Kugeloberfläche um den zugehörigen Satelliten, auf der der Empfänger sich befinden muss. Der Schnittpunkt von drei Kugeloberflächen legt den Standort des Empfängers fest.
[Bearbeiten] Messpraxis
Der Satellitenstandort ändert sich ständig und mit ihm die Entfernung des Satelliten zur Erde. Diese Parameter lassen sich deshalb vom Beobachter nicht direkt bestimmen. Dafür kennt der Satellit seine momentane Position, die die Bodenstation regelmäßig abgleicht. Die Entfernung vom Satelliten zum Beobachter erschließt sich aus der Signallaufzeit.
Der Satellit strahlt fortwährend seine Positionsdaten und ein Zeitsignal aus. Durch den Vergleich mit einer eigenen Uhr weiß der Beobachter, wie lange das Signal bis zu ihm gebraucht hat. Für eine Genauigkeit von 3 Meter muss die Zeitunsicherheit kleiner als 10 Nanosekunden sein.
Anstatt den Empfänger mit einer hochgenauen Atomuhr auszustatten, leitet man die Zeit aus den Zeitsignalen der Satelliten ab. Deshalb benötigt man zur Positionsbestimmung nicht nur drei, sondern vier Satelliten, um die vier Unbekannten geographische Länge, geographische Breite, Höhe über der Erde und Zeit abzuschätzen (Rechenbeispiel siehe GPS-Technologie)
[Bearbeiten] Messfehler
Wie bei der Triangulation sollte das Volumen der Pyramide, die die Satelliten mit dem Beobachter an der Spitze aufspannen, möglichst groß sein (siehe PDOP, GDOP). Liegen die Satelliten auf einer Linie, ist keine Ortsbestimmung möglich.
Die Atmosphäre verändert die Signallaufzeit. Anders als bei der Troposphäre ist der Einfluss der Ionosphäre frequenzabhängig. Er lässt sich teilweise korrigieren, wenn der Empfänger Signale auswertet, die der Satellit auf unterschiedlichen Frequenzen sendet.
Folgende Messfehler beeinflussen die Positionsgenauigkeit:
| Quelle | Zeitfehler | Ortsfehler |
|---|---|---|
| Satellitenposition | 6–60 ns | 1–10 m |
| Ionosphäre | 0–180 ns | 0–90 m |
| Troposphäre | 0–180 ns | 0–30 m (?) |
| Mehrwegeeffekte | 0–6 ns | 0–1 m |
| Zeitdrift | 0–9 ns | 0–1.5 m |
Die Genauigkeit nimmt zu, wenn mehr als 4 Satelliten empfangen werden können (überbestimmte Ortung). Wenn die Messung nicht zeitkritisch ist, lassen sich die Fehler nachträglich durch Vergleich mit Referenzmessungen weiter verringern, siehe auch Differential-GPS (DGPS).
[Bearbeiten] Bezeichnungen
Die militärischen Systeme GPS der USA und das russische GLONASS nennt man Systeme der ersten Generation. Nach der Aufrüstung mit neuen Satelliten steht GPS der zweiten Generation voraussichtlich bis 2012 zur Verfügung. Es wird vergleichbar sein mit Galileo, das ebenfalls zur zweiten Generation gezählt wird. Im ESA-Sprachgebrauch steht GNSS-1 für die ursprünglichen Systeme GPS und GLONASS, GNSS-2 für Galileo und Systeme der zweiten Generation.
[Bearbeiten] Weblinks
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Wiktionary: Satellitennavigation – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme und Übersetzungen |
