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. Beispiele hierfür sind:

GIBS: Institut für Angewandte Geodäsie in Frankfurt

IGS: Internationaler GPS Geodynamics Service

Die verschiedenen GNSS

GPS:

Das Bekannteste, und am Meisten angewandte satellitengestützte Navigationssystem ist das NAVSTAR GPS (Navigation System with Time and Ranging Global Positioning System), im allgemeinen Sprachgebrauch einfach GPS genannt. Dieses System wurde vom amerikanischen Militär entwickelt und liefert dem Nutzer genaue dreidimensionale Positions- sowie Zeitinformationen.

Die dafür notwendigen Daten liefern Satelliten in etwa 20.000 km Bahnhöhe. Die Konstellation wurde dabei so gewählt, dass an jeder Stelle der Erdoberfläche, zu jeder Zeit, mindestens 4 Satelliten zur Verfügung stehen. 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:

Das amerikanische GPS ist nicht das einzige System das genutzt werden kann. 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, ist aber noch nicht so gut ausgebaut. Die Satelliten umkreisen die Erde in ca. 19.000 km Höhe und benötigen für einen Umlauf 11 Stunden und 15 Minuten. Mit dem voranschreitenden Ausbau wird GLONASS in den kommenden Jahren zunehmend an Bedeutung gewinnen.

Sowohl die Signale der GPS- als auch die der GLONASS-Satelliten werden von SAPOS^® Baden-Württemberg korrigiert.

In naher Zukunft werden diese beiden militärischen Systeme um das zivile, europäische GALILEO sowie um das chinesische BDS ergänzt. 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: 1, 2 (L1,L2 .../ G1,G2 .../)

Bei GPS feste, bei GLONASS verschiedene Frequenzen (dritte Frequenzen geplant).

3. Codesignale:

Diese werden den Trägerwellen 1 und 2 aufmoduliert. Hier am Beispiel "GPS":

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

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

Ein Unterschied zwischen GPS und GLONASS ist, dass alle russischen Satelliten identische Signale auf unterschiedlichen Frequenzen senden (FDMA). Bei GPS aber alle Satelliten unterschiedliche Signale auf gleichen Frequenzen (CDMA). Die neuesten GLONASS Satelliten werden aber dem amerikanischen Modell angeglichen.

Da GPS und GLONASS militärischen Ursprungs sind, und um der Öffentlichkeit nicht die volle Systemgenauigkeit zu ermöglichen, ist der präzisere P-Code bei GPS verschlüsselt (Anti-Spoofing, AS) und bei GLONASS nur mit Erlaubnis des russischen Verteidigungsministeriums nutzbar.

Folge ist, dass nur der ungenauere C/A-Code von L1 genutzt werden kann.

Um in Zukunft den zivilen Bereich zu verstärken, strahlen die neuesten GPS- und künftige GLONASS-Satelliten auch auf der zweiten Frequenz einen unverschlüsselten Code (z.B. L2C) ab, was zivilen Anwendern künftig Zweifrequenzmessungen ermöglicht. Damit können die ionosphärischen Fehler besser eliminiert und die Genauigkeit gesteigert werden.

Außerdem sind in Zukunft dritte Trägerwellen sowie stärkere Codes auf ersten Trägerwelle (z.B. L1C) sicher.

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.

Quelle| | © Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung Baden-Württemberg