GPS Global Positioning System - niklausburren.ch

Berner Fachhochschule
Hochschule für
Technik und Architektur Burgdorf
Satellitennavigation
mit
GPS Global Positioning System
Funktionsweise und Anwendungen
Semesterarbeit
Autoren Niklaus Burren Markus Siegenthaler
Klasse E2A
Betreuer Fausi Marti
Dr. Hans Köppel
Dozent für Kommunikation Dozent für Chemie und Technologie
Datum 20. März - 28. Mai 2003

Zusammenfassung I
Zusammenfassung
In den letzten Jahren verdrängte die Satelliten-Navigation zunehmend herkömmliche
Ortungssysteme. Dazu beigetragen haben folgende drei Hauptfaktoren:
• Die orbitale Navigation ermöglicht eine dreidimensionale Ortsbestimmung, woraus
sich Geschwindigkeit und Richtung von bewegenden Objekten ableiten lassen.
• Das eingesetzte Satellitennetz erlaubt die weltweite Nutzung desselben Systems.
• Empfängermodule für Satellitennavigationssysteme wurden stets kleiner, was das
Einsatzgebiet sowohl im zivilen als auch im militärischen Bereich stark vergrösserte.
Dieser Bericht soll das Funktionsprinzip der Satellitennavigation anhand des marktführenden
GPS-Systems (Global Positioning System) der USA erläutern. Der zweite Teil des
Dokuments befasst sich mit dem Einsatzgebiet und der zukünftigen Entwicklung von
Satellitennavigationssystemen. Diese Semesterarbeit ist das Ergebnis eines fächerübergreifenden
Projekts, das zum Ziel hatte, einen Teil des Stoffes des Fachgebiets Technologie
zu ergänzen und das in den Deutsch-Praktika erworbene Wissen praktisch anzuwenden.
Ein Fachbuch zur Funktionsweise von GPS stellte die Hauptquelle dar. Ausserdem dienten
aktuelle Publikationen aus Internet und Fachzeitschriften zur Erarbeitung der restlichen
Themen.

Abstract II
Abstract
In the last years the satellite navigation replaced more and more conventional detection
systems. The reasons for this change are the following three main factors:
• Orbital navigation makes a three-dimensional position detection possible. From this
data you can derive speed and direction of moving objects.
• This now appointed satellite net permits the world-wide use of the same system.
• Receiver modules for satellite navigation systems became always smaller and smaller
which increased the operational area in the civilian as well as in the military range.
This report describes the operational principle of this trend-setting navigation technology
which is based on the leading GPS (Global Positioning system) of the USA. The second
part of the report deals with the operational area and the future development of satellite
navigation systems. This report is the result of project within various disciplines. The main
goal on one hand was to supplement a part of the material of the course in technology
and on the other hand to apply the knowledge acquired in the German tutorial.
A reference book served for the description of the functionality of GPS as main source. In
addition relevant publications from the internet and technical periodicals served to work
out the remaining topics.

Inhaltsverzeichnis III
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung ................................................................................................................. 1
2. Geschichte des GPS ............................................................................................... 2
2.1. Funknavigation .................................................................................................. 2
2.2. Satellitennavigation ........................................................................................... 2
2.3. NAVSTAR-GPS................................................................................................. 3
3. Funktionsprinzip...................................................................................................... 5
3.1. Positionsbestimmung ........................................................................................ 5
3.1.1. Erzeugung der Laufzeit bei GPS ............................................................ 5
3.1.2. Positionsbestimmung im 2D-Modell........................................................ 6
3.1.3. Positionsbestimmung im Raum .............................................................. 7
3.1.4. Einfluss des Zeitfehlers (Δt0)................................................................... 7
3.1.5. Berechnung der Position ........................................................................ 9
3.1.6. Die Signale der Satelliten ..................................................................... 11
3.2. Differential-GPS (DGPS) ................................................................................. 13
3.2.1. Allgemein.............................................................................................. 13
3.2.2. DGPS in der Schweiz ........................................................................... 13
3.3. Übersicht der Genauigkeit von GPS................................................................ 14
4. GPS-Anwendungen ............................................................................................... 15
4.1. Einleitung......................................................................................................... 15
4.2. Militärische Anwendungen............................................................................... 15
4.2.1. Allgemein.............................................................................................. 15
4.2.2. GPS-Gesteuerte Waffensysteme.......................................................... 16
4.3. Strassenverkehr .............................................................................................. 17
4.4. Vermessungswesen ........................................................................................ 18
4.5. Freizeit, Sport und Expeditionen ..................................................................... 19
4.6. Zeitmessung.................................................................................................... 19
5. Zukunft der Satellitennavigation.......................................................................... 20
5.1. Heutige Probleme............................................................................................ 20
5.2. GNSS-1 ........................................................................................................... 20
5.2.1. Allgemein.............................................................................................. 20

Inhaltsverzeichnis IV
5.2.2. Kombination von GPS und GLONASS ................................................. 21
5.2.3. GBAS Ground Based Augmentation Systems...................................... 21
5.2.4. SBAS Space Based Augmentation Systems ........................................ 21
5.3. GALILEO ......................................................................................................... 22
5.3.1. Allgemein.............................................................................................. 22
5.3.2. Zeitplan................................................................................................. 22
5.3.3. Finanzierung......................................................................................... 22
5.3.4. Leistungsmerkmale............................................................................... 23
5.3.5. GALILEO – ein Teil von GNSS-2.......................................................... 24
6. Schlussbemerkungen ........................................................................................... 26
Glossar ........................................................................................................................... 27
Literaturverzeichnis ...................................................................................................... 28
Quellennachweise ................................................................................................... 28
Weitere Literatur...................................................................................................... 29

Einleitung 1
1. Einleitung
Orten und Navigieren sind elementare Fertigkeiten von Mensch und Tier. Die Nahrungssuche
oder die Flucht vor Feinden wäre unmöglich, wenn das Tier nicht wüsste, wo es
sich befindet und wohin sein eingeschlagener Weg führt. Der Mensch ergänzte im Laufe
der Zeit seinen Orientierungssinn durch technische Hilfsmittel.
Die Schifffahrt stellte der Menschheit das erste grosse Ortungsproblem. Bezeichnenderweise
ist der Begriff Navigation auch vom lateinischen Wort navis (Schiff) abgeleitet.
Zwar kann ein Küstenschiff natürlichen Landmarken wie Bergen oder Klippen folgen, auf
offener See benötigt man aber andere Hilfsmittel, da dort diese Fixpunkte fehlen. Die
Himmelsrichtungen konnten beispielsweise nach dem Stand der Sonne oder der Sterne
abgeschätzt werden. Ein Seemann kann mit Hilfe der Astronavigation seine Position bis
auf 5 km genau bestimmen.
Die Luftfahrt verlangte jedoch ein genaueres, bei jeder Witterung anwendbares Verfahren,
da Flugzeuge wesentlich schneller und wetterabhängiger sind als Schiffe.
So wurden im Ersten Weltkrieg erste Navigationssysteme für die Luftwaffe mit Hilfe der
Funktechnik entwickelt. Mit den Möglichkeiten der Raumfahrt begannen die Militärs der
USA und der UDSSR während des Kalten Krieges erste satellitengestützte Navigationssysteme
zu schaffen. Solche Systeme sind weniger anfällig auf atmosphärische Störungen
als die Funksysteme aus den 40er Jahren und lassen sich auch global einsetzen.
Das wohl am weitesten verbreitete Navigationssystem ist das NAVSTAR-GPS der amerikanischen
Armee. Der Anteil militärischer Anwendungen macht heute nur noch ein
Bruchteil der GPS-Nutzung aus, während der Markt für zivile GPS-Anwendungen immer
rascher expandiert.
Kernthemen dieses Berichts sind die grundsätzliche Funktionsweise und die Anwendungsgebiete
des Navigationssystems GPS. Weiterhin wird auf die Problematik eingegangen,
die die zivile Nutzung einer militärischen Einrichtung mit sich bringt.
Dabei wird ebenfalls die Entwicklung des ersten rein zivilen Satellitennavigatiossystems
GALILEO der Europäischen Union ein Thema sein.
Der Bericht richtet sich an die Dozenten und die Studierenden der HTA Burgdorf und
andere Interessierte. Es sind keine speziellen Kenntnisse auf dem Gebiet der Funktechnik
oder der Raumfahrt zum Verständnis erforderlich. Bei der Erläuterung der Funktionsweise
von GPS wird jedoch davon ausgegangen, dass man mit der Vektorgeometrie im
dreidimensionalen Raum vertraut ist.
Als Hauptquelle diente das Fachbuch „GPS Grundlagen“ von Jean-Marie Zogg.
Der ehemalige Dozent der HTW Chur arbeitet heute für die Firma u-blox in Thalwil, die
Komponenten und Antennen für GPS-Empfänger herstellt. Die restlichen Kapitel basieren
auf diversen aktuellen Artikeln, die wir bei Internet-Recherchen gefunden haben.
Dazu gehören beispielsweise eine Semesterarbeit der HTW Chur, ein Bericht zur UKW-
Tagung 2002 von Dipl.-Ing. Erich H. Franke oder die GALILEO-Hompage der EU.
Zum Thema GPS sind grundsätzlich, vor allem im Internet, sehr viele Publikationen zu
finden. Jedoch ist deren Inhalt aufgrund mangelnden Wissens des Verfassers häufig
unpräzise oder widersprüchlich. Gemäss unserer Erfahrung empfiehlt es sich deshalb zur
Erarbeitung des GPS-Basiswissens eine Publikation einer Hochschule oder ein Fachbuch
eines qualifizierten Verfassers zu verwenden.

Geschichte des GPS 2
2. Geschichte des GPS
2.1. Funknavigation
Seit den dreissiger Jahren dienen stationäre Funksender zur Ortung und Navigation an
Bord von Flugzeugen und Schiffen. Mit Hilfe eines Peilgerätes kann die Richtung bestimmt
werden, aus der die Signale des Funksenders oder die Reflexionen des eigenen
Bordsenders kommen. Dadurch lässt sich auf den momentanen Standort bzw. den Bewegungszustand
des Flugzeuges schliessen. Peilungen zu zwei Sendern in unterschiedlicher
Richtung bestimmen als Schnittpunkt die eigene Position.
Abb. 2.1: Mobile Sendestation
des LORAN-Systems [2]
Das während dem zweiten Weltkrieg für die Luftwaffe
entwickelte LORAN-System (LOng RAnge Navigationsystem)
beruht auf diesem Prinzip. Mit mobilen Sendestationen
(siehe Abb. 2.1) können lokal provisorische Funknetze
aufgebaut werden.
Allerdings weist diese Methode einige Nachteile auf, welche
schliesslich auch zur Entwicklung des GPS geführt
haben: Eine Ortung mit LORAN ist nur regional möglich,
da entsprechende Sender über Meeren und Gebirgen
fehlen. Ausserdem müssten für das Navigieren über feindlichem
Gebiet Funksender innerhalb oder zumindest am
Rande des Kriegsgebietes platziert werden, was häufig
schwierig ist und das System verletzbar macht.
Das zweite Problem ist die Reichweite der Sender. Da sich elektromagnetische Wellen
geradlinig ausbreiten, die Erde jedoch kugelförmig ist, lässt sich das Sendesignal nur auf
Kurze Strecken direkt und ungestört empfangen. Zwar lässt sich die Reichweite mit zusätzlichen
Senderpositionen auf Türmen und Bergen vergrössern, aber für grosse Distanzen
ist man auf Lang- und Längstwellen angewiesen, die sich entlang der Erdoberfläche
ausbreiten. Allerdings sind diese Wellen sehr störanfällig und man kann sie nur mit
mässiger Genauigkeit empfangen.
2.2. Satellitennavigation
Abb. 2.2: 6 Timation-1-Satelliten
bildeten das TRANSIT-System [2]
Dies führte dazu, dass mit dem Beginn der Raumfahrt
die Entwicklung satellitengestützter Navigationssysteme
vorangetrieben wurde, da man sich so den
oben genannten irdischen Widrigkeiten entziehen kann.
Die US-Navy arbeitete seit den sechziger Jahren an
einem Satellitennavigationssystem namens TRANSIT.
1964 wurde das System in Betrieb genommen. Es
bestand aus sechs Timation-1-Satelliten (siehe Abb.
2.2 und Abb. 2.2), die in etwa 1000 Kilometern Höhe
auf polaren Umlaufbahnen die Erde umkreisten.

Geschichte des GPS 3
Abb. 2.3: Die Timation-1-Satelliten
wurden mit Thor-Agena Raketen auf
polare Umlaufbahnen gebracht [2]
Das System ermöglichte eine zweidimensionale
Positionsbestimmung (Latitude und Longitude). Da
aber eine Ortung nur in den Zeitabständen von
einer halben Stunde bis maximal zwei Stunden mit
einer Genauigkeit von rund 200 m möglich war,
eignete sich das System nur zum Navigieren von
Schiffen auf hoher See.
Zur selben Zeit entwickelte die Sowjetunion ein
eigenes Navigationssystem mit dem Namen ZIKA-
DA. Es umfasste zwölf Satelliten auf polaren Umlaufbahnen
und hatte etwa dieselben Eigenschaften
wie das amerikanische TRANSIT-System.
Wie bereits erwähnt, lässt sich mit TRANSIT Höhen- und Breitengrad bestimmen. Da
jedoch für die Luftfahrt die Höhe auch eine sehr wichtige Rolle spielt, entwickelte die US-
Airforce parallel zur Navy ein System namens 612B für die dreidimensionale
Navigation.
2.3. NAVSTAR-GPS
Schliesslich fasste das amerikanische Verteidigungsministerium (DoD, Department of
Defence) 1973 die getrennten Entwicklungsarbeiten der US-Navy und der Airforce zu
einem gemeinsamen Projekt zusammen. Das Ergebnis dieser Zusammenarbeit war
NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System).
Den vollen operativen Betrieb erreichte das System am 17. Juli 1995, nachdem der erste
Satellit des so genannten Block-l im Februar 1978 ins All geschossen worden war.
Die grösste Verzögerung erlitt das Projekt durch das Unglück des Spaceshuttles Challenger,
als beim Start im Dezember 1981 eine der Feststoffraketen des Shuttles explodierte
(siehe Abb. 2.4 und Abb. 2.5). Die Untersuchung des Unfalls dauerte bis zum Juli
1983. Erst dann konnte das NAVSTAR-GPS-Projekt wieder aufgenommen werden.
Abb. 2.4: Die Raumfähre Challenger
beim Aussetzen eines
Satelliten [13]
Abb. 2.5: Der Unfall der Raumfähre Challenger
im Dezember 1981 verzögerte das NAVSTAR-
GPS-Projekt um mehrere Jahre [14]

Geschichte des GPS 4
Ende 1984 startete der zehnte und letzte Satellit des ersten Blocks. Block-l war ein Versuchssystem
mit dem prinzipielle Untersuchungen zur GPS-Navigation durchgeführt
wurden. Heute sind die Satelliten des ersten Blocks nur noch Weltraumschrott.
Der letzte Trabant wurde 1994 ausgeschaltet. Die Satelliten erreichten durchschnittlich
eine Lebensdauer von 7.17 Jahre (inklusive des Verlusts beim Challenger-Unfall), obwohl
nur eine Betriebsdauer von maximal 5 Jahren vorgesehen wurde.
Abb. 2.6: Heutige GPS-Satelliten bieten
einen besseren Schutz gegenüber
elektromagnetischen Störungen und
Sabotage [1]
Der eigentliche Grundstein für das heutige GPS-
System wurde im Februar 1989 mit dem Start des
ersten Satelliten von Block-II gelegt. Bis Ende
1996 wurden insgesamt 25 Satelliten mit Hilfe von
Spaceshuttles in die Erdumlaufbahn gebracht. Die
neuen Satelliten (siehe Abb. 2.6) von Block-II
haben nicht nur eine längere Lebensdauer mit 7.5
Jahren als die Trabanten von Block-l, sie bieten
auch mehr Schutz gegenüber elektromagnetischen
Störungen und Sabotage.
Am 1. Mai 2000 wies US-Präsident Bill Clinton die
Streitkräfte an, die Störung des Globalen Positionierungssystems
(SA Selective Availability) zu
beenden.
Die US-Armee hatte bislang die Genauigkeit des Systems absichtlich reduziert, aus
Angst, Feinde könnten GPS zur Raketensteuerung benutzen. Allerdings blockiert die
USA das Navigationssystem weiterhin in Regionen die als Gefahr angesehen werden.
Heute wird GPS zunehmend auch im zivilen Bereich genutzt. Beispiele dafür sind Navigationsgeräte
für Autos, Flugzeuge, Boote aber auch Wanderer und Skifahrer.

Funktionsprinzip 5
3. Funktionsprinzip
3.1. Positionsbestimmung
Das Ortungsverfahren des GPS beruht auf dem Prinzip der Entfernungsbestimmung
zwischen Beobachtungsstandort und den verschiedenen Satelliten, deren Position genauestens
bekannt ist. Mit Hilfe der gemessenen Laufzeit und der Geschwindigkeit lässt
sich gemäss physikalischer Definition (v=Δs/t) der Weg bzw. die Distanz ermitteln. Das
wohl bekannteste Beispiel von Blitz und Donner soll diesen Sachverhalt verdeutlichen. In
diesem Fall beschreibt die Laufzeit die Zeitdifferenz zwischen Einschlag des Blitzes und
Eintreffen des akustischen Grollens des Donners am Beobachtungsstandort. Die Entfernung
des Blitzes zum Beobachter errechnet sich nun aus Laufzeit multipliziert mit der
Schallgeschwindigkeit (ca. 330 m/s).
3.1.1. Erzeugung der Laufzeit bei GPS
24 Satelliten kreisen auf einer Höhe von
20´180km, auf sechs verschiedenen, zum
Äquator um 55° geneigten Umlaufbahnen
um die Erde. Ein Satellit braucht für eine
Erdumrundung genau 11 Stunden und 58
Minuten.
In jedem Block-II-Satelliten sind insgesamt
vier Atomuhren eingebaut, zwei Rubidium
und zwei Cäsium Atomuhren (siehe Abb.
3.1) mit einer Uhrenstabilität von 10 -13 s
oder anders gesagt: Die Abweichung einer
solchen Uhr beträgt in 1´000´000 Jahren
maximal eine Sekunde von der exakten
Zeit.
Abb. 3.1: Atomuhren dieses Typs sind für
hochpräzise Zeit an Bord der Satelliten zuständig
[6]
Um die Genauigkeit noch zu steigern, werden die Atomuhren periodisch von verschiedenen
Kontrollsystemen auf der Erde nachgestellt bzw. synchronisiert. Jeder Satellit sendet
auf einer Frequenz von 1´575,42 MHz seine genau bekannte Position und seine exakte
Bordzeit zur Erde. Diese gesendeten Signale bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit
(c=300´000km/s) und benötigen somit ca. 67.3 ms vom Satelliten bis zum senkrecht
darunter liegenden Erdoberflächenpunkt (kürzester Weg).
Nun kann also jedermann auf der Erde diese GPS-Signale empfangen und mit Hilfe dieser
die Laufzeit bestimmen, indem er die Aussendezeit mit der Ankunftszeit vergleicht
und die Differenz berechnet. Voraussetzung für einen wahrheitsgetreuen Wert der Laufzeit
ist eine äusserst genaue Uhr.
Die Entfernung S errechnet sich also aus dem Produkt von Laufzeit τ und Lichtgeschwindigkeit
c.
S =
τ ⋅
c

Funktionsprinzip 6
Um mit einem GPS-Empfänger die genaue Position bestimmen zu können, reicht jedoch
eine Entfernungsbestimmung nicht aus. Insgesamt sind vier Distanzparameter notwendig,
damit sich der momentane Standort des GPS-Benutzers eindeutig und exakt definieren
lässt.
3.1.2. Positionsbestimmung im 2D-Modell
Zur Vereinfachung beschränken wir uns zunächst auf eine Positionsbestimmung von X-
und Y-Parametern, wozu zwei Satelliten genügen. Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich
auf einer Ebene, auf welcher ein kartesisches Koordinatensystem eingezeichnet ist
(Abb. 3.2). Über Ihnen kreisen zwei Satelliten und senden Signale aus. Nun messen Sie
die Laufzeiten zu den einzelnen Satelliten. Mit Hilfe dieser zwei Werte lassen sich die
exakten Entfernungen S1 und S2 berechnen. Aus Sicht des ersten Satelliten befinden
sich die Menge aller Punkte mit Abstand S1 auf einem Kreis mit Radius S1. Auch um den
zweiten Satellit lässt sich ein virtueller Kreis mit Radius S2 einzeichnen. Die beiden Kreise
schneiden sich in zwei Punkten. Brauchen wir nun noch einen dritten Satelliten? Nein,
wir wissen ja, dass wir uns wenigstens irgendwo in der Nähe der Erde befinden müssen.
Genau genommen haben wir damit unseren dritten "Satelliten" bzw. dritten Kreis, der mit
den beiden anderen überlappen muss. Dieser im Bild grau hinterlegte Bereich wäre in der
Realität der Bereich, in welchem GPS genutzt werden könnte. Sogar hoch fliegende
Flugzeuge bewegen sich innerhalb dieser Zone. Damit bleibt also nur ein einziger Punkt
übrig, an dem wir uns befinden können, und unsere Position ist genau bestimmt.
YP
0
0
Y-Koordinaten
Distanzkreise
S1=τ1 * c
S2=τ2 * c
XP
Position des
Empfängers
(XP, YP)
X-Koordinaten
Abb. 3.2: Schematische Darstellung der zweidimensionalen Positionsberechnung (nach: [1])

Funktionsprinzip 7
3.1.3. Positionsbestimmung im Raum
Die nun noch fehlende dritte Koordinate Z, welche zur Ermittlung der eindeutigen Position
im dreidimensionalen Raum notwendig ist, lässt sich mit Hilfe eines dritten Satelliten
bestimmen. Nun beschreibt die Menge aller Punkte, welche zum jeweiligen Satelliten die
mit der Laufzeit berechnete Entfernung hat, die Oberfläche einer Kugel. Die drei virtuellen
Kugeln schneiden sich in einem Punkt, der gesuchten Position (Abb. 3.3).
Abb. 3.3: Der Schnittpunkt der drei virtuellen Kugeln beschreibt die Koordinaten der gesuchten
Position [1]
3.1.4. Einfluss des Zeitfehlers (Δt0)
Wären in den GPS-Empfängern Atomuhren eingebaut, was aus Kostengründen absolut
undenkbar ist, so würde die oben beschriebene Methode genaue Koordinatenpunkte
liefern. In Wirklichkeit ist ein gewisser Zeitfehler infolge Ungenauigkeit der in den Empfängern
implementierten Uhren vorhanden. Nur schon eine Verfälschung der gemessenen
Laufzeit um 1μs bewirkt einen Positionsfehler von 300 m.
Die Tatsache, dass die Uhren aller drei Satelliten synchron laufen, hilft uns bei der Korrektur
dieses Fehlers weiter. Aus den drei Laufzeitmessungen resultieren nämlich drei
Zeitfehler, welche jedoch dank der Synchronisation alle den gleichen Betrag haben.

Funktionsprinzip 8
Ist die Zeitmessung nun mit einem unbekannten konstanten Zeitfehler behaftet, haben wir
vier unbekannte Grössen:
• geographische Länge (X)
• geographische Breite (Y)
• geographische Höhe (Z)
• Zeitfehler (Δt0)
Die Mathematik gibt uns einen Algorithmus zur eindeutigen Bestimmung dieser vier Parameter.
Mit vier voneinander unabhängigen Gleichungen lassen sich diese berechnen.
Die dazu benötigten Laufzeiten liefern uns nun eben vier verschiedene Satelliten (siehe
Abb. 3.4).
Abb. 3.4: Vier Satelliten sind zur eindeutigen Positionsbestimmung notwendig [1]

Funktionsprinzip 9
3.1.5. Berechnung der Position
Der Positionsberechnung liegt ein kartesisches dreidimensionales Koordinatensystem mit
geozentrischem Ursprung zugrunde (Abb. 3.5).
Abb. 3.5: Dreidimensionales Koordinatensystem mit geozentrischem Ursprung [1]
Δ t = Δt
+ Δt
(1a)
gemessen
PSR gemessen
0
0
= Δt
⋅ c = ( Δt
+ Δt
) ⋅ c
(2a)
PSR R t 0 c ⋅ Δ + = (3a)
R: Wahrer Abstand vom Satelliten zum Anwender
c: Lichtgeschwindigkeit
Δt: Laufzeit vom Satelliten zum Anwender
Δt0: Differenz zwischen Satelliten- und Anwenderuhr
PSR: Fehlerbehaftete Distanzmessung, Pseudorange

Funktionsprinzip 10
Der Abstand R vom Satelliten zum Anwender berechnet sich im kartesischen Koordinatensystem
wie folgt:
R −
2
2
2
= ( XSat
− X Anw ) + ( YSat
− YAnw
) + ( ZS
Z at Anw )
(4a)
somit (4a) in (3a)
2
2
2
PSR ( XSat
− X Anw ) + ( YSat
− YAnw
) + ( ZS
− Z at Anw ) + c * Δt
0
= (5a)
Um die vier Unbekannten (Δt0, XAnw, YAnw, ZAnw) zu bestimmen, sind vier unabhängige
Gleichungen notwendig.
Für die vier Satelliten (i=1 ... 4) gilt:
2
2
2
PSR i ( XSat
_ i − X Anw ) + ( YSat
_ i − YAnw
) + ( ZS
− Z at _ i Anw ) + c * Δt
0
= (6a)
Die vier Gleichungen von (6a) ergeben ein nichtlineares Gleichungssystem, dessen Lösungsmenge
sich nur nach dem Schema von Taylor bestimmen lässt. Auf die vollumfängliche
Auflösung des Systems gehen wir nicht ein. Die Lösungsmenge beschreibt die gesuchten
Koordinaten X, Y, und Z sowie den Zeitfehler Δt0. Der berechnete Wert von Δt0
entspricht dem Zeitfehler des Empfängers und dient somit für dessen Uhrenkorrektur.

Funktionsprinzip 11
3.1.6. Die Signale der Satelliten
Jeder der GPS-Satelliten überträgt zwei Trägersignale im Mikrowellenbereich, deren
Bezeichnungen L1 und L2 sind (die Bezeichnung L1 und L2 weist auf die Frequenz hin,
die im L-Band, d.h. im Bereich von 1000 bis 2000 MHz liegt). Zivile GPS-Empfänger
verwenden vorwiegend die L1-Frequenz mit 1575,42 MHz. Die L2-Frequenz mit 1227,60
MHz dient ausschließlich militärischen Zwecken. Die neuste Generation Satelliten werden
die Möglichkeit einer weiteren Frequenz für zivile Anwendungen haben. Die Frequenzen
L1 und L2 sind ganzzahlige Vielfache der Resonanzfrequenz einer der vier in den Satelliten
eingebauten Atomuhren. Diese Resonanzfrequenz beträgt f0=10,23 MHz. Die Gründe
für die Wahl gerade dieser Trägerfrequenzen sind folgende:
• Die Frequenzen sollten 2 MHz nicht übersteigen, da sonst Richtantennen in den Empfängern
notwendig wären.
• Ionosphärische Verzögerungen sind in den Bereichen kleiner 100 MHz und grösser 1
GHz enorm hoch.
• Elektromagnetische Wellen weichen in ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit umso stärker
von der Lichtgeschwindigkeit ab, je kleiner die Frequenz ist. Dies würde die Laufzeitberechnungen
negativ beeinflussen.
Drei unterschiedliche Binärcodes modulieren die beiden Trägerfrequenzen L1 und L2.
Der C/A-Code (coarse aquisition, grobe Bestimmung) ist ein 1023 „chip“ langer Code,
wobei ein „chip“ dasselbe ist wie ein Bit, also eine Eins oder eine Null. Der Begriff „chip“
wird in diesem Fall verwendet, weil das Signal noch keine Information trägt. Der C/A-
Code ist ein Pseudozufälliger Code (PRN – pseudo random noise), der wie zufällig aussieht,
jedoch für jeden Satelliten eindeutig festgelegt ist. Die Empfänger identifizieren die
Satelliten mit diesen PRN-Nummern. Insgesamt existieren 32 dieser PRN-Nummern,
obwohl die im All vorhandenen GPS-Satelliten nur 24 benötigen. Die restlichen Identifikationsnummern
dienen als Reserve. Dies ermöglicht den Start und die Aktivierung eines
Ersatzsatelliten, bevor der zu ersetzenden Satellit tatsächlich ausfällt. Der C/A Code ist
Basis für alle zivilen GPS-Empfänger.
Der P-Code (Pricise-Code) ist aufgrund seiner detaillierten Information wesentlich länger
als der C/A-Code. Im Gegensatz zum C/A-Code, der nur auf L1 aufmoduliert ist, wird der
P-Code auf den Trägerwellen L1 und L2 geführt. Dies bringt den Vorteil, dass sich einige
Fehlereinflüsse beheben lassen. Somit ist der P-Code wesentlich genauer als der C/A-
Code. Aufgrund dessen haben die Netzbetreiber diesen Code nicht für jedermann zugänglich
gemacht, d.h. er ist verschlüsselt.
Die eigentliche Navigationsnachricht ist ein den Trägerfrequenzen aufmoduliertes 50 Hz
Signal oder anders gesagt ein kontinuierlicher Datenstrom von 50 Bit pro Sekunde.
Grundsätzlich unterscheidet man innerhalb der Navigationsnachricht zwischen Ephemeriden-
und Almanach-Daten. Ephemeridendaten enthalten hochpräzise Angaben über die
Umlaufbahn des Satelliten, von welchem die Nachricht stammt. Almanachinformationen
beschreiben angenäherte Bahndaten aller anderen Satelliten. Weiter beinhaltet die Navigationsnachricht
die Systemzeit, d.h. die genaue Zeit der im Satelliten eingebauten Atomuhren,
Zeitkorrekturparameter sowie Informationen über den allgemeinen Systemzustand.
Abb. 3.6 und Abb. 3.7 zeigen die einzelnen Bestandteile des Satellitensignals basierend
auf der L1-Trägerfrequenz. Die logische Verknüpfung des Datensignals mit dem C/A-

Funktionsprinzip 12
Code erfolgt mittels EXOR. Das dabei entstehende, modulierte Signal wird auf den Träger
L1 multipliziert.
Abb. 3.6: Vereinfachte Darstellung des Satellitensignals [1]
Abb. 3.7: Zeitdiagramm der einzelnen Signale [1]
Die Speicherung der Ephemeriden- und Almanachdaten im GPS-Empfänger führt dazu,
dass Empfänger, die für nicht sehr lange , d.h. nicht gerade für Wochen ausgeschaltet
waren, nur kurze Zeit für eine Positionsbestimmung benötigen. Sind die im Empfänger
gespeicherten Almanach- und Ephemeridendaten aktuell, so spricht man beim Einschalten
des Geräts von einem "Warmstart", die Positionsbestimmung dauert lediglich ca. 15
Sekunden. Sind die Ephemeriden veraltet, spricht man von einem "Kaltstart". Hierbei
dauert es etwa 45 Sekunden bis zur ersten Positionsbestimmung. Sind die Almanachdaten
veraltet, was passiert, wenn der Empfänger für einige Wochen ausgeschaltet war, so
muss zunächst die Übertragung der Almanach Daten abgewartet werden, um entscheiden
zu können, welche Satelliten empfangen werden können. Dies dauert bis zu 10 Minuten.
Wurde die Position des Empfängers in ausgeschaltetem Zustand um mehr als
300 km verändert, so stimmen die "sichtbaren" Satelliten nicht mehr mit den Satelliten
überein, die vom Empfänger erwartet werden, der ja noch von der alten Position ausgeht,
weshalb auch hier die Zeit bis zur ersten Positionsbestimmung länger dauert.

Funktionsprinzip 13
3.2. Differential-GPS (DGPS)
3.2.1. Allgemein
Eine Ausnutzung des NAVSTAR-GPS bis zur Grenze der theoretischen Leistungsfähigkeit
ist mit Hilfe des Differential-GPS (DGPS) erreichbar.
Das Prinzip des DGPS ist sehr einfach. Auf einem bekannten und genau vermessenen
Punkt befindet sich eine GPS-Referenzstation. Diese bestimmt ihre Position mittels vier
Satelliten. Da die GPS-Referenzstation ihre genaue Position kennt, kann sie die Abweichung
von der gemessenen Position berechnen. Diese Abweichung (Differenzposition)
gilt ebenfalls für alle im Bereich von bis zu 200 km vorhandenen GPS-Empfängern um
die Referenzstation. Die Differenzposition kann somit zur Korrektur von der von weiteren
GPS-Empfängern gemessenen Position genutzt werden (Abb. 3.8).
Abb. 3.8: Prinzip des DGPS mit einer GPS-Referenzstation [1]
3.2.2. DGPS in der Schweiz
Der schweizerische DGPS-Dienst ist seit 1996 ein Pilotprojekt der Landestopographie in
Zusammenarbeit mit der SWISSCOM und ermöglicht die Positionierung und Navigation
mit Meter-Genauigkeit durch Kombination von GPS- und Korrektursignalen, die über
UKW/RDS ausgesendet werden. Der Empfang der Korrekturdaten ist grundsätzlich in der
ganzen Schweiz über die Senderkette von Radio DRS3 möglich, d.h. überall wo DRS3

Funktionsprinzip 14
empfangen werden kann, ist DGPS möglich. Nebst dem GPS-Empfänger ist für die Benutzung
des DGPS-Dienstes ein spezieller RDS-Decoder erforderlich, der die verschlüsselten
Korrekturdaten decodiert und sie dem GPS-Empfänger in einem Standardformat
(RTCM 2.0) zuführt.
Das Bundesamt für Landestopographie erhebt für diese Dienstleistung Gebühren, deren
Betrag sich nach der erreichbaren Genauigkeit richtet (Tabelle 3.1).
Tabelle 3.1: Gebühren für DGPS [1]
Service Genauigkeit Jahreslizenz
INTERMEDIATE 2-5 Meter CHF 750.00
PREMIUM 1-2 Meter CHF 1'320.00
3.3. Übersicht der Genauigkeit von GPS
Genauigkeit des ursprünglichen GPS-Systems mit aktivierter SA 100 Meter
Typische Genauigkeit ohne SA 15 Meter
Typische Genauigkeit für DGPS 2 - 5 Meter
Die möglichen 15 m Abweichung beim „normalen“ GPS können durch folgende Faktoren
entstehen:
Störungen durch die Ionosphäre ± 5 Meter
Schwankungen der Satellitenumlaufbahnen ± 2.5 Meter
Uhrenfehler der Satelliten ± 2 Meter
Mehrwegeffekte (Reflexionseffekte) ± 1 Meter
Störungen durch die Troposphäre ± 0.5 Meter
Rechnungs- und Rundungsfehler ± 1 Meter
Numerischen Angaben von [6]

GPS-Anwendungen 15
4. GPS-Anwendungen
4.1. Einleitung
Das vom amerikanischen Verteidigungsministerium entwickelte GPS-System diente zu
Beginn ausschliesslich für militärische Zwecke. Als das Navigationssystem 1995 seine
volle Funktionsfähigkeit erreichte, wurden zunehmend auch zivile Anwendungen geprüft
und entwickelt. Im Jahr 2000 schätzten Experten, dass gerade noch 1.6 % [11, S. 134]
des gesamten GPS-Marktes auf militärische Anwendungen entfallen. Schliesslich erlangte
die zivile GPS-Nutzung durch die Aufhebung der künstlichen Verschlechterung SA am
1. Mai desselben Jahres den endgültigen Durchbruch.
Heute wird die GPS-gestützte Navigation in vielen Bereichen der Wirtschaft, Wissenschaft,
Technik, Tourismus, Forschung und Vermessung eingesetzt. Überall dort, wo
raumbezogene Geodaten eine wesentliche Rolle spielen, können GPS-Verfahren eingesetzt
werden.
4.2. Militärische Anwendungen
4.2.1. Allgemein
Die US-Armee setzte das GPS-System zum ersten Mal 1991 während dem Golfkrieg ein.
Innerhalb kurzer Zeit wurden grosse Mengen leichter GPS-Empfänger (siehe Abb. 4.1)
an die amerikanischen Soldaten, zur Orientierung in der kuwaitischen und irakischen
Wüste, abgegeben.
Abb. 4.1: GPS-Empfänger
der US-Armee [3]
Für diesen Zweck hob das amerikanische Verteidigungsministerium
die künstliche Verschlechterung auf und verschob sogar
einige Satelliten aus ihren Standardumlaufbahnen, um die
bestmögliche Empfangsqualität in der Golfregion zu gewährleisten.
Die US-Armee und die NATO setzten GPS überall dort ein, wo
sich Soldaten, Fahrzeuge, Flugzeuge oder ferngesteuerte
Raketen im unbekannten Gelände bewegen. Ausserdem eignet
sich GPS zu Markierungszwecken. So lassen sich beispielsweise
Minenfelder oder geheime Depots mit Hilfe des
Navigationssystems ohne grossen Aufwand wieder finden.
Momentan sind Entwicklungen für so genannte TIAs (Tactical Information Assistants) im
Gange. Diese Geräte sollen sowohl die Position des Soldaten als auch die Position von
beobachteten feindlichen Objekten per GPS direkt der Einsatzzentrale übermitteln, welche
dann sofort entsprechende Abwehrmassnamen einleiten kann.

GPS-Anwendungen 16
4.2.2. GPS-Gesteuerte Waffensysteme
Herkömmliche Waffen werden zunehmend von steuerbaren Präzisionswaffen abgelöst.
So lag deren Anteil nach Financial Times Deutschland [4] im Golfkrieg 1991 noch bei
9 %, im Kosovo-Konflikt bei 35 % und im Afghanistan-Krieg bereits bei 69 %. Im aktuellen
Golfkrieg geht man davon aus, dass die Kriegskoalition USA-Grossbritannien nahezu
90 % der Angriffe mit GPS-gestützten Präzisionswaffen bestritten hat. Die Terrorangst
sowie der Afghanistan-Krieg waren zwei Hauptfaktoren, die die Reform der amerikanischen
Militärtechnologie beschleunigten.
Das technische Rückgrad zur Steuerung dieser neuentwickelten Präzisionswaffen stellt
das Navigationssystem GPS dar.
Abb. 4.2 Ablauf eines GPS-gesteuerten Marschflugkörperangriffs.
[4]
So können einzelne Häuser, Bunker,
Paläste oder Personen mit
Präzisionsschlägen angegriffen
werden. Abb. 4.2 zeigt schrittweise
den Ablauf eines GPS-gestützten
Marschflugkörperangriffs.
Der Vorteil eines ganz gezielten
Angriffs ist, dass die umliegende
Zivilbevölkerung und deren Infrastruktur
geschont werden können.
Allerdings ist ein Präzisionswaffensystem
noch keine Garantie für
absolute Treffsicherheit. Ein Ziel
kann nur so gut getroffen werden,
wie es die Positionsdaten des Ziels
selbst erlauben. Dadurch werden
Standortinformationen zur Waffe der
Zukunft, glauben Militärexperten.
Eine weitere Voraussetzung für das
korrekte Anvisieren von Zielen ist,
dass der GPS-Empfang für die
ferngelenkten Waffen bis zum Eintreffen
in das Ziel gewährleistet ist.
Das Pentagon zeigt sich deshalb auch besorgt über das Erscheinen von handelsüblichen
GPS-Sendern, die das Navigationssystem der amerikanischen Streitkräfte empfindlich
stören können.
Wie Oberst Douglas Loverro bestätigte [12], können die auf dem Markt frei erhältlichen
Geräte alle GPS-Signale im Umkreis von vier Kilometern so massiv stören, dass ferngelenkte
Bomben und Flugzeuge unmöglich per GPS navigieren können.

GPS-Anwendungen 17
Abb. 4.3: JDAM-Bombe [4]
4.3. Strassenverkehr
Die mit der JDAM-Technologie (Joint Direct Attack Munition)
ausgerüsteten Bomben sind die am meisten verwendeten
ferngelenkten Waffen. Sie sind, wie in Abb. 4.3
zu sehen ist, mit einem GPS-Empfängermodul (1) bestückt,
das mit einer Lenkflosse (2) am Heck der Bombe
gekoppelt ist. JDAM-Bomben erlauben einen Einsatz aus
sicherer Entfernung mit einer Zielgenauigkeit von ca. 13
m.
Wie sich in der Vergangenheit gezeigt hat, wird sich wohl der Strassenverkehr zum
grössten Markt für GPS entwickeln [3]. Die so genannten autonomen Führungssysteme
bestehen meistens aus einem kompakten Computer mit einem Display für Kartenanzeigen
und einem Lautsprechersystem für Sprachausgabe.
Abb. 4.4: Das GPS-gesteuerte Führungssystem
von Blaupunkt zeigt den Weg sowie
die aktuelle Position auf einer Karte an [3]
Je nachdem wo man sich befindet, wird die
richtige Karte mit der momentanen Position
eingeblendet. Gibt man den Zielort ein, berechnet
das System den schnellsten Weg
zum Ziel und projiziert diesen in die Karte.
Ausserdem werden oft auch die ungefähre
Fahrdauer und der durchschnittliche Kraftstoffverbrauch
berechnet.
Mit Hilfe der Sprachausgabe ist es dem System
möglich, dem Fahrzeuglenker während
der Fahrt Abbiegeanweisungen zu geben.
Auf dem japanischen Markt sind Führungssysteme für Autos schon seit längerer Zeit
Standard [3]. Die Erfahrung dort zeigt, dass sich nur solche Systeme gut verkaufen lassen,
welche Navigationshinweise per Sprachausgabe geben und somit dem Lenker ein
freieres Fahren ermöglichten.
Eine wichtige Voraussetzung für ein korrekt funktionierendes Führungssystem ist die
Verfügbarkeit von aktuellen digitalen Strassenkarten, welche ähnlich wie die bekannten
Routenplaner für PCs auf CD-ROM mitgeführt werden. Die digitalen Positionsangaben
werden mit Hilfe des genauen DGPS ermittelt. Im städtischen Bereich gibt es jedoch viele
Faktoren, die den Empfang des GPS-Signals beeinträchtigen oder sogar verhindern.
Beispiele hierfür sind Signalunterbrechungen in Tunnelstrecken oder Reflexionen des
GPS-Signals an Gebäuden, was zu Verfälschungen der Signallaufzeit führen kann.
Da man sich also nicht immer auf einen korrekten GPS-Empfang verlassen kann, werden
die im Strassenverkehr eingesetzten Navigationssysteme mit zusätzlichen Sensoren
ausgerüstet, welche für eine gewisse Zeit das Navigieren ohne GPS-Daten ermöglichen
sollen. So sind moderne Führungssysteme zusätzlich mit einem elektronischen Kompass
und einem Radimpulsgeber, der die Radumdrehungen des Fahrzeugs zählt, ausgestattet.

GPS-Anwendungen 18
Mit Hilfe dieser Sensoren ist es dem Fahrzeugrechner möglich, beim Ausfall von GPS
den Kurs eine gewisse Strecke selbständig zu berechnen. Ausserdem wird momentan
der Einsatz von so genannten elektronischen Wegweisern geprüft. Die bei Kreuzungen
installierten Geräte übermitteln dann dem Führungssystem des Autos per Funk die zur
Navigation nötigen Informationen. Weiterhin ist es Führungssystemen möglich, mit Hilfe
von RDS (Radio Data System) aktuelle Verkehrsinformationen zu empfangen und automatisch
die schnellste Umfahrungsroute für mögliche Verkehrshindernisse zu berechnen.
Für die Zukunft ist neben der Steigerung der Genauigkeit und der Zuverlässigkeit von
Führungssystemen im Strassenverkehr auch die Integration von neuen Funktionen geplant.
Die Automobilindustrie ist bestrebt, Autoradio und Klimaanlagensteuerung sowie
neue Unterhaltungsfunktionen wie Videodisplays oder Computerspiele im Navigationssystem
zu einem Gerät zu vereinen.
Während auf dem japanischen Markt autonome Führungssysteme in Privatwagen bereits
stark verbreitet sind, kommen in Europa und den USA solche Geräte hauptsächlich in der
Wirtschaft zum Einsatz. Vor allem Transportfirmen setzten diese Technik bei ihren Lastwagen
ein, um die Transportwege zu optimieren und Leerfahrten zu vermeiden. Weiterhin
prüfen Versicherungsgesellschaften und die Polizei den Einsatz von GPS-
Empfängern, die ständig ihre Position übermitteln, um gestohlene Fahrzeuge wieder
auffinden zu können.
4.4. Vermessungswesen
Geometer setzen vermehrt das sehr genaue Differential-GPS (DGPS) ein, um schnellere
und genauere Vermessungen durchzuführen, als dies die konventionellen Verfahren
erlauben. Vermessungen per Satellit bis auf Millimetergenauigkeit sind für Geometer mit
dem Quantensprung vom Rechenschieber zum Computer vergleichbar.
Heute gibt es auch GPS-Systeme für Vermessungen mit mobiler Referenzstation.
Der Geometer kann diese Monitorstation an einem Punkt, dessen Koordinaten er genau
kennt, platzieren und unabhängig von kostenpflichtigen, öffentlichen Referenzstationen
differentielle GPS-Messungen in einem bestimmten Umkreis durchführen.
Mit GPS können Grundstücke, Strassen, Bahnstrecken, Flüsse und sogar Seetiefen und
Berghöhen vermessen werden. Ein praktisches Beispiel für die Anwendung des globalen
Navigationssystems im Vermessungswesen ist der neue Gotthard-Basistunnel. Die oberirdische
Vermessung der 57 km langen Tunnelstrecke erfolgte mit Hilfe von DGPS und
konnte in einem Bruchteil der Zeit, die die konventionelle optische Messmethode erfordert
hätte, erledigt werden. Auch die Bewegung der Kontinente wird heute mit Hilfe von GPS
überwacht.
1995 ermittelte die Schweizerische Landestopografie bei der Landesvermessung mit Hilfe
des Differential-GPS, dass die Schweiz drei Meter bereiter und zwei Meter [11] länger ist
als bisher angenommen.

GPS-Anwendungen 19
4.5. Freizeit, Sport und Expeditionen
Seit dem es möglich ist, GPS-Empfänger im "Taschenformat" herzustellen und die Geräte
das Navigieren mit elektronischen Karten erlauben, bedienen sich immer mehr Wanderer
und Tourenskifahrer dieser Navigationshilfe.
Auch bei Expeditionen in entlegene Gebiete baut man vermehrt auf die neue Navigations-Technik.
So wurde beispielsweise bei der Expedition zu den Korowai, einem der
letzten im Regenwald von Neuguinea lebenden Völkern, ein GPS-Empfänger als Orientierungshilfe
eingesetzt.
Bei Segelflugzeug- und Hängegleitwettbewerben wird heute oft die Flugbahn mit Hilfe
von GPS protokolliert.
4.6. Zeitmessung
Das aus 100 Atomuhren (vier pro Satellit) aufgebaute Zeitsystem von GPS lässt sich
neben der Koordinatenberechnung auch für exakte Zeitmessungen einsetzen. So ist es
nach Zogg [1, S. 79] möglich, weltweit die Zeit (UTC Universal Time Coordinated) mit
einer Genauigkeit von
1 bis 6 ns zu bestimmen. Dies ist viel genauer als es Funkuhren erlauben, bei denen die
Laufzeit des Signals vom Sender zum Empfänger nicht kompensiert werden kann. Beträgt
die Distanz zum Funkuhrsender beispielsweise 300 km, trifft das Signal mit einer
Verzögerung von 1 ms beim Empfänger ein, wodurch die Zeitmessung 10'000 mal ungenauer
wird als mit einem GPS-Empfänger.
Weltweit präzise Zeitmessungen werden oft zur Synchronisation von Steuerungen und
Kommunikationsanlagen eingesetzt. Institute, die ihre Uhren miteinander vergleichen
wollen, empfangen an verschiedenen Orten das GPS-Signal desselben Satelliten und
ermitteln den Unterschied zwischen der Zeit, der lokalen Uhren und der GPS-Systemzeit.
Die Standunterschiede der Uhren lässt sich dann durch die Differenz der gemessenen
Unterschiede ermitteln. Dabei spielt der Stand der GPS-Systemzeit keine Rolle, da es
sich um ein differentielles Verfahren handelt. So erfolgen heute Zeitvergleiche mit den
Atomuhren der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Frankfurt und Zeitinstituten
auf der ganzen Welt.

Zukunft der Satellitennavigation 20
5. Zukunft der Satellitennavigation
5.1. Heutige Probleme
Bei der vollen Inbetriebnahme von GPS 1995 war man sehr zuversichtlich, dass die orbitale
Satellitennavigation mit ihren hervorragenden Eigenschaften innerhalb von wenigen
Jahren alle bisherigen Verfahren ablösen würde. Voller Euphorie wurden zivile Luft- und
Schifffahrtsnavigationssysteme entwickelt, die rein auf GPS basierten.
Inzwischen wird jedoch in weiten Kreisen [10] über die Gefahren gesprochen, GPS als
alleiniges Navigationssystem zu nutzen.
Zum einen besteht immer noch die Tatsache, dass das GPS-Verfahren für die Sicherheitsbelange
der USA, d.h. für militärische Zwecke, entwickelt wurde. Es enthält dementsprechend
geeignete Mechanismen, um den Zugang von nicht autorisierten Benutzern zu
erschweren, zu denen auch zivile Anwender gehören. Falls also der US-
Verteidigungsminister mit der Zustimmung des Präsidenten die Sicherheit der USA als
gefährdet erklärt, können die Eigenschaften von GPS auch weiterhin ohne Vorwarnung
für zivile Nutzer verschlechtert werden.
Zum anderen lässt die Zuverlässigkeit von GPS im zivilen Bereich auch nach der Aufhebung
der künstlichen Verschlechterung SA (Selective Availability) von 2000 zu wünschen
übrig und stellt somit den alleinigen Einsatz von GPS in Frage. Beispielsweise ist die
Abdeckung in hohen Breitengraden, über die zahlreiche Flugrouten führen, nicht immer
flächendeckend. Auch in dicht bebauten Stadtvierteln kann die Signalverfügbarkeit nicht
gewährleistet werden.
Da die Fixierung auf nur ein System zu riskant ist, setzt man heute nach wie vor alte
Navigationssysteme wie das LORAN-System oder Funkfeuer ein, um GPS zu ergänzen.
1999 beschloss die EU aufgrund der Nachteile von GPS ein eigenes Satelliten- Navigationssystem
namens GALILEO zur zivilen Nutzung zu entwickeln. Aufgrund der Struktur
der Satellitenkonstellation wird die Genauigkeit von GALILEO grösser und konstanter als
die von GPS sein. Das europäische System wird so konzipiert, dass Empfänger im Dualbetrieb
gleichzeitig mit GALILEO und GPS arbeiten können und somit eine Zuverlässigkeit
erreichen, die die reine Satellitennavigation rechtfertigt.
Fernziel dieser Entwicklungen ist GNSS-2 (Global Navigation Satellite System) ein internationales
Navigationssystem bestehend aus GPS, GALILEO und dem russischen Pendant
zu GPS dem GLONASS-System. Durch die Kombination von drei autonomen Systemen
könnte die Genauigkeit und die Ausfallsicherheit der Satelliten-Navigation enorm
gesteigert und gleichzeitig das heutige Monopol der USA unterwandert werden.
5.2. GNSS-1
5.2.1. Allgemein
Schon heute fasst GNSS-1 das amerikanische GPS und das russische GLONASS zu
einem grossen System zusammen. Allerdings handelt es sich hierbei nicht um ein globales
Projekt. Die USA, Europa und Japan entwickelten unabhängig voneinander ihr eigenes
System. Die europäische Version von GNSS-1 läuft unter dem Namen EGNOS (Eu-

Zukunft der Satellitennavigation 21
ropean Ground Navigation Overlay System) und soll zur Kompensation der mangelnden
Zuverlässigkeit von GPS in der EU bis zur Fertigstellung von GALILEO eingesetzt werden.
Obwohl die europäische Verstärkung von GPS EGNOS erst im Jahr 2004 seine
volle Einsatzfähigkeit erreicht, ist es bereits heute effektiv nutzbar.
GNSS beruht neben der Kombination bestehender Navigationseinrichtungen auf Zusatzsystemen
im All (SBAS Space Based Augmentation Systems) und auf der Erdoberfläche
(GBAS Ground Based Augmentation Systems).
5.2.2. Kombination von GPS und GLONASS
GNSS-fähige Navigationsgeräte sind mit einem Dualbandempfänger ausgerüstet, der das
parallele Empfangen von GPS- und GLONASS-Daten ermöglicht. Durch die grössere
Anzahl von verfügbaren Satelliten ist die Wahrscheinlichkeit bedeutend grösser, dass
man sich im Bereich einer idealen Konstellation befindet, wodurch die Genauigkeit der
Positionsbestimmung steigt. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von GPS und
GLONASS kann jedoch nicht in jedem Fall eine Steigerung der Genauigkeit garantiert
werden, da der Effekt hauptsächlich auf der grösseren Verfügbarkeit an Satelliten beruht.
5.2.3. GBAS Ground Based Augmentation Systems
Zu den bodengestützten Zusatzsystemen gehören fixe Monitorstationen, die analog zum
Differential-GPS ihre eigene Position per Satellitennavigation bestimmen, um daraus
Korrekturdaten zu gewinnen. Der einzige Unterschied zu DGPS besteht darin, dass die
Stationen ebenfalls einen Dualbandempfänger besitzen und sowohl auf GPS als auch
GLONASS zugreifen.
Zudem besteht die Möglichkeit, die Monitorstationen mit einem konventionellen Navigationssystem,
wie dem modernisierten LORAN-C, zu koppeln und so die Zuverlässigkeit
des Gesamtsystems noch zu steigern.
5.2.4. SBAS Space Based Augmentation Systems
Die weltraumgestützte Erweiterung der europäischen Union besteht im Endausbau aus
drei geostationären Satelliten in 36’000 km Höhe. Die drei fix über Europa sichtbaren
Erdtrabanten senden ein GPS-ähnliches Navigationssignal, das zusätzlich einen so genannten
„GNSS Integrity Channel“ (GIC) enthält. Über diesen Kanal werden Informationen
über die Verfügbarkeit von GPS, CLONASS und EGNOS übermittelt. Während man
bei GPS gleichzeitig mindestens die Signale von fünf Satelliten auswerten muss, um ein
Problem, das durch einen Satelliten hervorgerufen wird, zu erkennen, genügt es bei
EGNOS lediglich den Integrity-Channel abzufragen.
Allerdings birgt diese Technik auch Nachteile. Da der zusätzliche Kanal im standardisierten
GPS-Signal eingebettet ist arbeiten amerikanische Navigationsgeräte ohne modifizierte
System-Software, die die zusätzliche Information abfängt, nicht unter EGNOS.

Zukunft der Satellitennavigation 22
5.3. GALILEO
5.3.1. Allgemein
Mit dem Start des GALILEO-Projekts machte die Europäische Union den ersten Schritt zu
einer rein zivilen Satellitennavigation. Europa schafft mit GALILEO ein konkurrenzfähiges
Alternativsystem zu GPS und wird so das heutige de facto Monopol der USA brechen.
Das europäische Navigationssystem zielt als rein ziviles System auf Massenanwendungen
im privaten, geschäftlichen und im sicherheitstechnischen Umfeld. Die Zivilluftfahrt
stellt dabei die grösste treibende Kraft hinter dem GALILEO-Projekt dar, da sie bei satellitengestützten
Anflug- und Landemanöver auf ein genaues und vor allem unterbruchfreies
System angewiesen ist.
5.3.2. Zeitplan
Die europäische Transport Kommission (European Transport Council, ETC) beschloss
1999 die Definitionsphase für GALILEO. Die Entwicklungsphase begann im Jahr 2001
und soll bis Ende 2005 abgeschlossen sein. Zu den Hauptentwicklungen zählen z.B. die
Atomuhren mit der geforderten Genauigkeit von 10 -9 s Abweichung pro Jahr. Ausserdem
sollen in diesem Zeitraum zwei bis vier Prototyp-Satelliten zu Testzwecken in den Erdorbit
gebracht werden.
2006 beginnt die Realisierungsphase. In dieser Periode bringt die Europäische Weltraumorganisation
ESA mir ihren ARIANE-5-Raketen die restlichen 26 bis 28 der insgesamt
30 Satelliten in ihre Umlaufbahnen. Auf der Erdoberfläche werden zeitgleich alle
Einrichtungen des Bodensegments installiert. Dazu gehören unter anderem System zur
Kontrolle der Satellitenumlaufbahnen und Monitorstationen für differentielle Messungen.
Die kommerzielle Verfügbarkeit soll dann in den Jahren 2008 bis 2010 erreicht werden.
Während die Entwicklungsarbeiten für GALILEO am laufen sind, arbeiten die Amerikaner
an der dritten Generation ihres GPS-Systems, dem so genannten Block-III. Bei der Konzeption
des dritten Blocks orientieren sich die USA erstmals auch an den Bedürfnissen
des zivilen Marktes und stecken Aspekte der nationalen Sicherheit zurück.
Die Europäische Union ist deshalb bestrebt ihren Zeitplan einzuhalten, um für GALILEO
möglichst viele Marktanteile vor der eventuellen Inbetriebnahme von GPS-III sichern zu
können.
5.3.3. Finanzierung
Das Navigationsprojekt der EU ist vergleichsmässig preiswert gemäss einer Informationsbroschüre
der EU [9, S. 6]. Die Entwicklungs- und Einrichtungskosten für GALILEO,
einschliesslich des Starts von 30 Satelliten und der Bereitstellung der Einrichtungen auf
dem Boden, betragen 3,2 bis 3,4 Milliarden Euro. Dies entspricht den Kosten für den Bau
von 150 km Autobahn in Ballungsgebieten oder jenen für das Bohren eines einzigen
Haupttunnels auf der künftigen Hochgeschwindigkeitsstrecke zwischen Lyon und Turin.

Zukunft der Satellitennavigation 23
Der Beitrag von 550 Millionen Euro der Europäischen Union für die Entwicklungsphase
(2001-2005) wurde bereits in den Gemeinschaftshaushalt einkalkuliert. Die europäische
Weltraumorganisation ESA verfügt ebenfalls über dieselbe Summe.
Die für die Errichtungsphase (2006-2007) gerechneten 2.15 Milliarden Euro sollen aus
öffentlichen Mitteln und ebenfalls aus dem Gemeinschaftshaushalt entnommenen werden.
Dazu kommen noch die Privatfinanzierungen von Unternehmen, die sich zur Teilnahme
an diesem Projekt entschlossen haben.
Für die Betriebsphase ab 2008 sieht eine Studie von PricewaterhouseCoopers [9, S. 6]
eine zurückgehende öffentliche Beteiligung bis 2015 vor. Von da an sollte sich das Unternehmen
mit den Einnahmen aus den gebührenpflichtigen Angeboten selbst finanzieren
können.
5.3.4. Leistungsmerkmale
Der komplette Neuaufbau eines Funksystems eröffnet völlig neue Möglichkeiten. Man
kann nun bei der Entwicklung das gesamte System auf die Bedürfnisse und Ansprüche
der zivilen Anwender abstimmen:
GALILEO beruht nach Franke [8, S. 3-4] ähnlich wie GPS auf einer Konstellation von 30
Satelliten, die sich auf einer Umlaufbahn in 23’222 km Höhe befinden und die gesamte
Erdkugel abdecken. Durch die neuartige Anordnung der Erdtrabanten und ein Netz von
Relais-Stationen auf der Erdoberfläche soll GALILEO eine wesentlich höhere Genauigkeit
mit weniger Unterbrechungen als das GPS-System erreichen.
Es ist vorgesehen, dass die GALILEO-Satelliten auf vier Frequenzen im L-Band senden
werden. Dabei steht neben dem reinen Navigationsteil eine Bandbreite von 250 bis 1500
Bit/s (vgl. GPS 50 Bit/s) für zusätzliche Nutzdaten und so genannte Pilotsignale zur Verfügung.
Letztere sollen dazu dienen, die Effekte der Mehrwegausbreitung zu minimieren,
wie sie im mobilen Einsatz in stark bebautem Gelände sowie bei landenden Flugzeugen
auftreten können. Zudem arbeitet man an einer Integritätsmeldung, die den Nutzer sofort
über mögliche Fehler bei der Positionsbestimmung informiert.
Die Industrie forderte von den Entwicklern die höhere Datenrate um Mehrwertdienste wie
Verkehrs- und Tourismusinformationen, Landkartenupdates und vieles mehr direkt mit
den Navigationsdaten versenden zu können.
Mit GALILEO werden zwei Anwendungsbereiche, den „Mass Market“ und den „Safty
Related Market“, definiert:
Zum „Mass Market“ zählen alle privaten Anwendungen. Für dieses Benutzersegment wird
eine Genauigkeit von besser 10 m und eine Verfügbarkeit von mindestens 70 % vorgesehen.
Der „Safty Related Market“ beinhaltet alle professionellen Anwendungen, die auf
eine grosse Genauigkeit und Ausfallsicherheit angewiesen sind. Dazu zählen beispielsweise
die Zivilluftfahrt und die Schifffahrt. Das kostenpflichtige Angebot garantiert eine
Genauigkeit von besser 4 m bei einer Signalverfügbarkeit von 99 % und besser.

Zukunft der Satellitennavigation 24
5.3.5. GALILEO - ein Teil von GNSS-2
Trotz der Überlegenheit des zukünftigen europäischen Navigationssystems beabsichtigen
die Europäer nicht die protektionistische und monopolistische Haltung der USA anzunehmen.
Man gibt offen zu, dass es sicherer ist, GALILEO und GPS gleichzeitig zu verwendenden.
So soll das europäische Satellitennavigationssystem mit der Inbetriebnahme
im Jahr 2008 die zweite Phase des GNSS Projekts einleiten. So wie momentan EGNOS
das GPS-Signal lokal für Europa verstärkt, kann mit GALILEO weltweit eine Signalverbesserung
erreicht werden.
Die Satelliteninfrastruktur von GNSS-2 wird durch GALILEO doppelt so gross sein wie die
von GNSS-1. Dadurch kann die Abdeckung und Genauigkeit des internationalen Systems
erheblich verbessert werden.
Abbildungen Abb. 5.1 bis Abb. 5.3 zeigen eine Simulation der Verbesserung der Positionsgenauigkeit,
die mit Hilfe von EGNOS und GALILEO während 95 % der Zeit erreicht
werden.
Abb. 5.1 Durchschnittliche Positionierungsgenauigkeit,
die mit der GPS
Konstellation allein erreicht wird
(in m). [5]
Abb. 5.2 Durchschnittliche Positionierungsgenauigkeit,
die mit der durch
EGNOS verstärkten GPS-Konstellation
erreich wird (in m). [5]

Zukunft der Satellitennavigation 25
Abb. 5.3 Durchschnittliche Positionierungsgenauigkeit,
die mit GPS,
EGNOS und GALILEO erreicht wird
(in m). [5]

Schlussbemerkungen 26
6. Schlussbemerkungen
Ziel dieser Semesterarbeit war es, den Studierenden der HTA Burgdorf die Satellitennavigation,
insbesondere GPS, näher zu bringen und gleichzeitig dabei das in den Deutsch-
Praktika erworbene Wissen praktisch anzuwenden.
Mit Hilfe der Satellitennavigation ist eine dreidimensionale Positionsbestimmung (Höhe,
Längen- und Breitengrad) möglich, woraus sich ebenfalls Richtung und Geschwindigkeit
von sich bewegenden Objekten ableiteten lässt. Die genannten Eigenschaften ermöglichen
völlig neue Anwendungen im Bereich der Landesvermessung, der Luftfahrt, des
Strassenverkehrs oder der Kriegsführung. Dank dem Fortschritt der Mikroelektronik wurden
die Empfänger so klein und preiswert, dass die Navigationsgeräte auch für private
Anwender erschwinglich geworden sind und beispielsweise zur Orientierung auf Wanderund
Skitouren eingesetzt werden.
Die orbitale Navigation kann sich jedoch nur vollständig etablieren, wenn man sich vom
monopolistischen System des amerikanischen GPS abwendet und alternative, zivile
Systeme schafft. Dabei scheint eine Zusammenarbeit auf internationaler Ebene unerlässlich,
um den Bedürfnissen der Wirtschaft gerecht werden zu können.
Wir hoffen, dass wir mit diesem Bericht unseren Mitstudenten einen guten Einblick in das
Gebiet der Satellitennavigation geben können und so den Stoff des Fachs Technologie
sinnvoll ergänzen.

Glossar 27
Glossar
Begriff Erläuterung
C/A-Code Coarse-Aquisition-Code
Code zur Identifikation der Satelliten und zur Bestimmung der Laufzeit
DGPS Differential GPS
GPS-Funktion mit Positionskorrekturparametern, die von Referenzstationen
ermittelt werden
EGNOS European Ground Navigation Overlay System
Europäische Version von GNSS zur Verstärkung der GPS-Signale im
Bereich der EU
GBAS Ground Based Augmentation Systems
Zusatzeinrichtungen für das GNSS-Projekt auf der Erdoberfläche
GLONASS Global Navigation Satellite System
Russisches Satellitennavigationssystem mit ähnlichen Eigenschaften
wie GPS
GNSS Global Navigation Satellite System
Projekt, das durch die Kombination mehrerer Navigationssysteme
und mit Hilfe von Zusatzeinrichtungen im All und auf der Erdoberfläche
die Positionierungsgenauigkeit erhöht
JDAM Joint Direct Attack Munition
GPS gelenkte Waffen mit Zielgenauigkeit von ca. 13 m
LORAN Long Range Navigation System
Funknavigationssystem, das erstmals während des Zweiten Weltkrieges
eingesetzt wurde
NAVSTAR GPS Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System
Satellitennavigationssystem des US-Verteidigungsministerium (Meistens
mit der Kurzform GPS bezeichnet)
P-Code Pricise-Code
Erweiterter C/A-Code für erhöhte Genauigkeit bei der Positionsbestimmung
PRN-Code Pseudo-Random-Noise
Pseudozufälliger Code, d.h. Code, der wie zufällig aussieht
SA Selective Availability
System zur Verfälschung der GPS-Signale. (Aufgehoben seit dem
1. Mai 2000)
SBAS Space Based Augmentation Systems
Zusatzeinrichtungen für das GNSS-Projekt auf der Erdumlaufbahn
TIA Tactical Information Assistant
Gerät zur Ermittlung eigener und feindlicher Positionen mit direkter
Verbindung zur jeweiligen Einsatzzentrale

Literaturverzeichnis 28
Literaturverzeichnis
Quellennachweise
[1] Zogg, J. M.: GPS Grundlagen – Einführung in das System,
u-blox AG, Thalwil 2001
[2] Parkinson, B.: Timation and GPS Satellite History,
Institute of Navigation, 1995,
http://ncst-www.nrl.navy.mil/NCSTOrigin/Timation.html
[3] Bauer, C. et al.: GPS Global Positioning System,
Literargymnasium Rämibühl, Zürich 1997,
http://www.swix.ch/solg/gps/
[4] Hegmann, G.: Militärtechnologie: Angriff der Computer-Bomben,
Financial Times Deutschland, München 2003,
http://www.ftd.de/pw/in/1048234725894.html
[5] Europäische Kommission: Die Zukunft von GNSS: Galileo + GPS,
Mai 2003,
http://europa.eu.int/comm/dgs/energy_transport/galileo/intro/future_de.htm
[6] Köhne, A. und Wössner, M.: GPS - Global Positioning System,
Kowoma, Mai 2003,
http://www.kowoma.de/gps/Satelliten.htm
[7] Sintrade AG (Swiss International Trade LTD), Differential-GPS in der Schweiz,
Mai 2003,
http://www.sintrade.ch/dgps.html
[8] Franke, E. H.: Galileo, GNSS, EGNOS und WAAS – Neues aus der Welt der
Satellitennavigation, Beitrag zur 47. UKW-Tagung 2002 in Weinheim, Königbach-
Stein 2002,
http://www.afusoft.de/medien/hamradio/publications/GPS-EGNOS-GALILEO-1.pdf
[9] Europäische Kommission: GALILEO – Das europäische Satellitennavigations-
projekt, Informationsbroschüre, März 2002,
http://europa.eu.int/comm/dgs/energy_transport/galileo/doc/galileo_info_note_200
2_03_26_de.pdf

Literaturverzeichnis 29
[10] Petersen, U: Zukunft der Funknavigation,
12. Folge, Januar 2000
http://www.bluewater.de/funknavi.htm
[11] Berther , D. et al.: Ortungs- und Navigationssatelliten,
HTW Chur Hochschule für Technik und Wirtschaft, Chur 1999,
http://www.telecom.fh-htwchur.ch/satelitenbuch/12OrtungNavigation.PDF
[12] Geo24: Pentagon fürchtet 40-Dollar GPS-Störsender, der ferngelenkte Waffen
blockkiert, 2003,
http://www.geo24.de/article/articleview/89/1/3/
[13] Norsk Astronautisk Forening: Bildene bak bokstavene,
http://www.romfart.no/Diverse/Tekst/OmRomfart.shtml
[14] O’Brien M.: Soaring toward Von Braun’s vision,
CNN, 2000,
http://www.cnn.com/2000/TECH/space/10/05/downlinks/
Weitere Literatur
Augath, W.:
Europäische Entwicklungen und ihr Bezug zu Radionavigationsplänen,
DVW-Schriftenreihe Nr. 41 S. 36-46, Wittwer-Verlag, Stuttgart 2000
http://kgise.geo.tu-dresden.de/gg/publikat/radionavigationsplaene.pdf
Walter, P. O.:
Die Geschichte des GPS-Systems,
Europäisches Segel-Informationssystem ESYS, Januar 2002,
http://www.esys.org/technik/gps_hist.html
Hirschl, R.:
GPS-Signale und deren Verarbeitung,
Universität Wien, 29. November 1998,
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