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Satellitennavigation

Die Modernisierung des zivilen GPS

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Vielleicht durch den Druck, der durch die neu zu installierenden Navigationssysteme aus Europa, Russland und dem Fernen Osten entstanden ist, haben die USA eine Überarbeitung des GPS beschlossen und bereits damit begonnen. Dieser Artikel bibt einen Überblick über die Neuerungen, bezogen auf die zivilen Komponenten des Systems.

Das „Global Positioning System“ GPS (Grundlagen siehe [1]) ist zur Zeit die einzige weltweit funktionierende satellitengestützte Navigationshilfe; sie soll nun Konkurrenz erhalten: Die GUS-Staaten wollen ihren GLONASS wieder instand setzen, Europa ist dabei, das eigene System Galileo aufzubauen, China will das Navigationssystem Compass/Beidou lancieren und Japan entwickelt QZSS. Vor lauter neuen Systemen wird die Modernisierung von GPS oft übersehen.

Aktueller Stand von GPS

Das GPS startete seinen ersten Block-I-Satelliten im Februar 1978. Seither sind viele Optimierungen und Verbesserungen erfolgt, derzeit sind 31 Satelliten voll einsatzfähig. Die Entwicklungsschritte der letzten beiden Jahre waren:

  • Juli 2007: Die USA und die EU beschließen, ein gleichartiges Signal bei GPS und Galileo zu verwenden. Für GPS wird es das Signal L1C und bei Galileo L1F. Dieses Signal soll MBOCcodiert sein und auf der gleichen Frequenz ausgestrahlt werden. Es wird von GPS ab Generation GPS IIIA zur Verfügung stehen.
  • März 2009: Der erste GPS-Satellit des Typs IIR-M (genaue Bezeichnung: GPS IIR-20(M)) welcher versuchsweise das zivile Signal L5 sendet, wird erfolgreich in den Orbit gebracht [4]; insgesamt gehen acht Satelliten dieses Typs derzeit in Betrieb. Die temporäre Aufschaltung von L5 hat den Zweck, die von der ITU (International Telecommunication Union) zugewiesenen Frequenzen noch vor dem 26. August 2009 gesichert zu haben.
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Bild 1. Maximale Fehler des gemessenen Abstands „Satellit zu Beobachter“ pro Satellit.
© Elektronik

Dass die verwendete Satelliten- und Empfängertechnik im Laufe der Entwicklung immer besser wurde, beweist Bild 1 [6]. Es zeigt den maximalen Fehler des gemessenen Abstandes R (Satellit zu Beobachter, Range Error) pro Satellit. Vom Jahre 2000 bis zum Jahre 2008 sank der Fehler ca. um den Faktor 3, z.B. durch genauer bekannte Satellitenpositionen, präzisere Atomuhren usw. Übrigens: Die zur Positionsbestimmung nötige Navigationsgleichung kann durch Messung des Abstandes zu vier Satelliten gelöst werden.

Die US-Luftfahrtbehörde FAA (Federal Aviation Administration) misst mit weltweit verteilten Messempfängern quartalsweise die Genauigkeit von GPS und publiziert sie [7]. Bild 2 zeigt für den Zeitraum vom 3. Quartal des Jahres 1999 bis zum 4. Quartal des Jahres 2008 den Verlauf von Positionsfehlern, Bild 3 den Verlauf des Zeitfehlers. 95 % aller Messungen waren genauer als die gezeigten Werte. Die markante Abnahme der Fehler während des Jahres 2000 ist begründet mit der Abschaltung der künstlichen Verschlechterung SA (Selective Availability) am 2. Mai 2000.

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Bild 2. Entwicklung des Positionsfehlers (nur horiziontal) von 1999 bis 2008 (95-%-Wert: 95 % aller Messungen sind genauer).
© Elektronik

Von Juli bis September 2000 zeigten 95 % aller Messwerte für die Horizontale schon einen Fehler unter 6,35 m, von Juli bis September 2008 gar unter 1,995 m.

Aktueller technischer Stand und Bedeutung einer zweiten Frequenz

Im März 2009 waren von den 57 ins All gebrachten Satelliten noch 31 in Betrieb [8]. Bei der Inbetriebnahme des Systems im Jahre 1978 sendeten die GPS-Satelliten ein Signal für zivile Anwendungen (SPS, Standard Positioning Service) zur Erde aus: Auf der Frequenz von 1575,42 MHz (L1-Frequenzband) das C/A-Signal (Coarse acquisation), genannt L1-C/A-Signal. Das L1-C/A-Signal wird mit BPSK (Binary Phase Shift Keying) moduliert. Seit 2005 senden die neuen Satelliten das zweite zivile Signal L2C mit der Frequenz 1227,60 MHz.

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Bild 3. Entwicklung des Zeitfehlers aller Messungen von 1999 bis 2008 (95-%-Wert).
© Elektronik

Im Folgenden nun die Erläuterung, warum die zweite Frequenz zur Kompensation des Ionosphäreneinflusses notwendig ist: Die Ionosphäre ist der Bereich der Atmosphäre, der sich aufgrund solarer Strahlung mit Ionen, d.h. geladenen Teilchen, anreichern kann. Die Ionen-Konzentration ist abhängig vom Sonnenstand, sie weist daher sowohl einen Tages- wie auch einen Jahresgang auf (nachts ist die Ionisation geringer).

Die Ionisation beeinflusst nun die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Funkwellen merklich – je höher die Ionisation, um so langsamer breiten sich Radiowellen aus. Hieraus ist der große Einfluss des Zustandes der Ionosphäre auf die gemessene Position ersichtlich; es ergibt sich ein Messfehler von typisch 3 m (Tabelle 1).

Der Abstand des Satelliten zum GPS-Empfänger, als Range R bezeichnet, ergibt sich durch Multiplikation von Ausbreitungsgeschwindigkeit und Laufzeit Δt des Signals.

Fehlerursache
 Fehler
Ephemeridendaten (bestimmen die Satellitenposition)
 1,5 m
Satelittenuhren  1,5 m
Einfluss der Ionosphäre  3,0 m
Einfluss der Troposphäre  0,7 m
Mehrwegeempfang (Multipath)  1,0 m
Einfluss des Empfängers  0,5 m
Totaler RMS-Wert  4,0 m

  1. Die Modernisierung des zivilen GPS
  2. Schritte zur Modernisierung des GPS
  3. Literatur und Autor