GNSS - Grundlagen

GNSS GNSS - Grundlagen 

GNSS - Grundlagen 

Hinweis: Ein Teil der Grafiken sind mit freundlicher Genehmigung der Internetseite von Frank Woessner 

http://www.kowoma.de/gps/index.htm entnommen. 

Merke: 

GNSS bedeutet: Globales - Navigations - Satelliten - System. 

http://de.wikipedia.org/wiki/Globales_Navigationssatellitensystem 

GNSS ist ein allgemeiner Name für die bereits bestehenden Navigations- 

Satelliten - Systeme und die geplanten Navigations - Systeme. 

1. GPS - NAVSTAR = Globales Positionierungs - System aus Amerika. 

http://de.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System 

2. GLONASS= Globalnaja Nawigazionnaja Sputnikowaja Sistema aus Russland. 

http://de.wikipedia.org/wiki/GLONASS 

3. GALILEO= Europäisches Satelliten - Navigations - System (im Aufbau; Start ca. 2013) 

http://de.wikipedia.org/wiki/Galileo_(Satellitennavigation) 

4. COMPASS= Satelliten - Navigations - System aus China (geplant und im Aufbau) 

http://de.wikipedia.org/wiki/Compass_(Satellitennavigation) 

5. IRNSS = Indian Regional Navigation Satellite System (Indien, System im Aufbau) 

http://de.wikipedia.org/wiki/Indian_Regional_Navigation_Satellite_System 

Ein Navigations - Satelliten - System wird zur Positionierung (Standortfeststellung) von Personen, 

Fahrzeugen und Punkten in der Vermessungstechnik benutzt. 

In der Praxis arbeitet man heute mit dem GPS – System und dem GLONASS – System. 

Neue Satellitenempfänger in der Vermessungstechnik haben jedoch bereits die Möglichkeit, GPS – Signale und 

GLONASS – Signale gleichzeitig zu empfangen und die Daten auszuwerten. 

In Zukunft werden Satellitenempfänger in der Vermessungstechnik bis zu 120 Signale von unterschiedlichen 

Systemen (GPS, GLONASS, GALILEO…) gleichzeitig empfangen können. 

Copyright ©: Länderübergreifendes Lehrerforum für Vermessungstechnik 

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GNSS Bestandteile eines GNSS 

Bestandteile eines GNSS 

Ein Satelliten - Positionierungs - System (z.B. GPS) hat 3 Hauptbestandteile (Segmente). 

Weltraumsegment Kontrollsegment Benutzersegment 

Das Weltraumsegment besteht 

aus min. 24 Satelliten auf 6 

Bahnebenen 

Bahnneigung 55° gegenüber der 

Äquatorebene 

http://www.kowoma.de/gps/gpss 

tatus/index.php 

Die Satelliten fliegen in ca. 

20.000 km Höhe und stehen ca. 

alle 24 Stunden über dem 

selben Ort. 

Die Satelliten senden auf 

2 Frequenzen (L1 und L2) 

Das Kontrollsegment verfolgt die 

Satelliten und empfängt und übersendet 

den Satelliten Daten: 

Z.B. 

neue Umlaufposition; 

stellt die Atom - Uhren ein; 

(= kalibrieren und synchronisieren) 

Die „Master - Controll - Station“ 

(Hauptkontrollstation) befindet sich in der 

Nähe von 

Colorado Springs / USA. 

Es gibt weitere Stationen in Äquatornähe 

rund um die Erde. 

(permanente Kontrolle). 

http://www.kowoma.de/gps/Bodenstation 

en.htm 


Das Benutzersegment besteht aus 

allen GPS - Empfängern. 

z.B.Quelle: Garmin 

Handempfänger 

Positionsbestimmung (+/- 5 bis 10 

m) 

Quelle: 

Trimble 

Zwei - Frequenzempfänger 

(= L1 / L2 Empfänger) 

Positionsbestimmung auf +/- 1 bis 

2 cm genau bei Nutzung von 

Korrekturwerten 

von SAPOS oder ASCOS. 

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GNSS Bestandteile eines GNSS 

Aufbau der Satellitensignale 

Jeder GPS - Satellit hat genaue Atomuhren und sendet auf 2 festen Frequenzen (L1 und L2) 

Neue Satelliten senden in Zukunft auch auf den neuen L2a- und L5- Freqenzen. 

Die Signale enthalten einen eigenen Erkennungscode, Uhrzeit und die Position (Broadcast Ephemeriden) 

des Satelliten. In den GPS-Empfängern ist der Erkennungscode aller Satelliten gespeichert und so kann der 

Empfänger am Signal den Satelliten „erkennen“ und die Daten auswerten. 

Die Trägerwellen L1 und L2 unterscheiden sich durch ihre Wellenlänge. 

L1-Frequenz mit 1575,42 MHz (Wellenlänge: 19,05 cm) (L2-Frequenz: 1227.60 MHz; Wellenlänge: 24,45 cm). 

Auf diese Trägerwellen sind verschiedene Codes aufmoduliert (Phasenmodulation). 

GPS - Signale vom Satellit zum Empfänger 

Der C/A - Code wird von Handempfängern empfangen. 

und erlaubt eine Positionsgenauigkeit von ca. +/- 5 bis10 m. 

Beispiel für die Phasenmodulation auf einer Trägerwelle 

Manche Satellitenempfänger (L1 - Empfänger) arbeiten nur mit der L1 - Frequenz. 

Die Genauigkeit kann bei der Nutzung von Korrekturwerten der Positionierungsdienste (SAPOS oder ASCOS) 

bis auf ca. +/- 0,5 m verbessert werden. 


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GNSS Absolute und relative Positionierung 

Absolute und relative Positionierung 

Bei der GPS–Nutzung unterscheiden wir: 

Die absolute Positionierung 

Codephasenmessung 

(Wanderer, Fahrzeuge, Schiffe) 

Die absolute Positionierung 


Die relative Positionierung 

Trägerphasenmessung 

(Anwendung in der Vermessungstechnik) 

Bei der absoluten Positionierung eines einzelnen GPS - Empfängers wird bei der Codephasenmessung die 

Laufzeit des Signals bestimmt. Dabei wird der C/A Code der Trägerwelle L1 benutzt. 

Prinzip: Räumlicher Bogenschlag: 

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GNSS Absolute und relative Positionierung 

Uhrensynchronisierung (Uhrenvergleich) 

Räumlicher Bogenschlag: 

Die Kreise muss man sich als Kugeloberflächen vorstellen. Im Zentrum einer Kugel befindet sich der Satellit. Mit 

Hilfe der empfangenen Almanach-Satellitendaten (http://www.quantenwelt.de/technik/GPS/almanach.html) 

kann man Satellitenstandortkoordinaten (3D - Koordinaten (X, Y, Z) für eine bestimmte Zeit bestimmen. Aus den 

Kugelradien (= Entfernung Satellit - Empfänger) werden Schnittpunktkoordinaten ( B) berechnet. Durch 

synchronisieren der Empfängeruhr mit den Atomuhren der Satelliten erhält man den Empfängerstandort A. 

http://www.ptb.de/de/org/4/44/441/info2.htm 

Entfernungsbestimmung 


Mit der Laufzeit und Ausbreitungsgeschwindigkeit 

eines Signals wird die Entfernung von einem 

Satelliten bis zu einem GPS - Empfänger berechnet. 

Die Laufzeit eines Signals zwischen Satellit und 

Empfänger beträgt ca. 0,07 sec. Satellit und 

Empfänger müssen genau gleichlaufende Uhren 

besitzen. 

Merke: 

Ein Uhrengleichlauf (Synchronisierung) ist die 

Voraussetzung für die Entfernungsbestimmung. 

Wie wird die Empfängeruhr synchronisiert ? 

(= Uhrenvergleich mit der Atomuhr im Satelliten) 

Die Laufzeiten im Beispiel oben sind nicht real (wirklich). Die Laufzeiten sollen nur die Synchronisierung 

erklären. 

Betrachten wir zuerst den Schnitt zweier Kreise. Liegt kein Laufzeitfehler vor (4 sec und 5 sec Laufzeit), 

erhalten wir den Schnittpunkt A. Haben wir jedoch einen Laufzeitfehler, erhalten wir den Schnittpunkt B 

(4,5 sec und 5,5 sec; Laufzeitfehler jeweils 0,5 sec.) Denn Laufzeitfehler kennen wir nicht (= unbekannt). 

Frage: Welcher Punkt ist richtig ? 

Die Laufzeitmessung zu einem dritten Satelliten (3. Kreis) bringt uns Klarheit ! Bei einem 

Laufzeitfehler (0,5 sec) gibt es plötzlich 3 Schnittpunkte B (jeweils die Schnitte zweier Kreise 

betrachtet). 

Man verschiebt nun die Zeiteinstellung der Empfängeruhr solange, bis aus den drei Schnittpunkten B ein 

Schnittpunkt A wird. Der Uhrenfehler ist korrigiert (= Uhr richtig eingestellt). Die Empfängeruhr läuft jetzt 

genau snychron (gleich) zu den Atomuhren der GPS - Satelliten. Der GPS - Empfänger hat nun eine 

"Atomuhr" und die Laufzeit des Signals kann genau bestimmt werden. 

Merke: 

Für eine Positionsbestimmung braucht man immer 4 Satelliten. Drei Satelliten für die 

Lagebestimmung (X, Y, Z) und einen Satelliten für die Korrektur des Laufzeitfehlers. 

Berechnung der Position: 

Aufgabe: gegeben: 3D - Koordinaten (X, Y, Z) von 4 Satelliten. 

gesucht: 3D - Koordinaten des unbekannten Punktes P (Xp, Yp, Zp) 

Stellen Sie die 4 Gleichungen zur Positionsbestimmung auf. 

Vier Unbekannte ( Xp, Yp, Zp und die Laufzeit) brauchen zur Lösung 4 Gleichungen. 

. 

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GNSS Die relative Positionierung 

Die relative Positionierung 

In der Vermessungstechnik wird grundsätzlich nur die relative Positionierung (= Differenzielles GPS ) 

benutzt. Dazu wird mindestens ein koordinatenmäßig bekannter Punkt (Referenzpunkt) mit einem Empfänger 

besetzt und die Messdaten werden zeitgleich mit den Messdaten auf dem Neupunkt gespeichert. 

Die Bestimmung des Neupunkts geschieht relativ (in Beziehung) zum Referenzpunkt. Die Korrekturwerte 

auf der Referenzstation werden an den Rover (beweglicher GNSS - Empfänger) übermittelt. 

Merke: 

Viele Fehlereinflüsse einer GNSS – Messung können durch die relative Positionierung beseitigt werden. 

Vereinfachtes Prinzip einer Basislinienberechnung 

(Raumvektoren dX, dY, dZ zwischen Referenzstation und Rover) 

Referenzstation Referenzstation 

X Y Z X Y Z 

Istkoordinaten Sollkoordinaten 

2745 038,29 976 985,12 3611 125,44 2745 037,23 976 986,56 3611 123,12 

Neupunkt (Roverstandort) Neupunkt (Roverstandort) 

Istkoordinaten Sollkoordinaten 

2745 345,23 976 953,22 3611 147,44 

dX= dY= dZ= dX= dY= dZ= 


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GNSS Die relative Positionierung 

Die Trägerphasenmessung 

Für genaue Positionsbestimmungen in der Vermessungstechnik wird die Trägerphasenmessung 

angewendet. 

Durch ständige Messung der Trägerphase des Satellitensignals wird das Phasenreststück gemessen. 

Die Anzahl der vollen Wellenstücke bleibt unbekannt. 

Man sagt: Das Ergebnis ist mehrdeutig (Phasenmehrdeutung). 

Durch gleichzeitige Messung auf einem oder mehreren bekannten Standpunkten kann die 

Mehrphasendeutung (= wie viele Phasen (Wellenstücke) gibt es) durch Berechnungen (Suchalgorithmen) 

beseitigt werden. 

Die Beseitigung der Mehrphasendeutung nennt man Initialisierung. Am Rover wird die Beseitigung der 

Mehrphasendeutung durch den Status „fixed“ angezeigt. 

Nur Koordinaten mit dem Status „fixed“ werden gespeichert. 


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GNSS Auswertung der GNSS - Messung 

Auswertung der GNSS - Messung 

Bei der Auswertung der Messung unterscheidet man zwischen: 

Postprocessing - Auswertung 

(Auswertung nach der Messung) 

Postprocessing 


RTK - Auswertung 

(Real – Time - Kinematik = Echtzeitauswertung) 

Sämtliche Messdaten werden gespeichert und später erfolgt die Auswertung im Büro mit Hilfe von 

Auswerteprogrammen. Diese Methode führt heute zur genauesten Punktbestimmung (Genauigkeit ≤ 1 cm) 

Die gleichzeitige Messung auf mehreren Standpunkten erfordert mehrere GPS – Empfänger. 

Mehrere Empfänger kosten viel Geld. Gleichzeitig ist eine Auswertung erst später möglich. 

Die Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen (AdV) hat deshalb den gemeinschaftlichen 

Aufbau des Satellitenpositionierungsdienstes SAPOS beschlossen. http://www.sapos.de/ 

Dafür wurden in Deutschland permanente Referenzstationen (Referenzpunkte) aufgebaut. 

Diese permanenten (=ständigen) Referenzstationen senden laufend Korrekturdaten an eine Zentrale. 

(in NRW ist die Zentrale bei Geobasis NRW in Bonn – Bad Godesberg). 

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Quelle: SAPOS Geobasis NRW 

SAPOS Referenzstationen - Bezirksregierung Köln - Geobasis NRW 

Beispiel: Sapos – Referenzstation auf dem Rathaus in Essen (Quelle: SAPOS Geobasis NRW) 


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RTK - Auswertung 

RTK bedeutet = Real Time Kinematik = Echtzeitauswertung. Diese Methode hat sich immer mehr 

durchgesetzt und zur verstärkten Nutzung der Satellitenpositionierungsdienste SAPOS und ASCOS geführt. 

Der Vorteil: 

Man braucht keinen zweiten GNSS - Empfänger auf einer Referenzstation. Die Korrekturdaten werden von 

der fest aufgebauten Referenzstation über die Zentrale und Mobilfunk (GSM) oder Mobile Internetverbindung 

zum Auswerteprogramm im Feldrechner am Rover (Mobilstation) übermittelt. Es werden alle eingehenden 

Daten zu gebrauchsfähigen Koordinaten (z.B. Gauß-Krüger – Koordinaten oder UTM - Koordinaten) des 

Neupunkts verarbeitet und angezeigt bzw. gespeichert. 

Der Nachteil: 

Eine zuverlässige und genaue Koordinatenlösung ist nur bis 10 km Abstand (Basislänge) zu einer 

Referenzstation möglich. 

Virtuelle Referenzstationen (VRS) 

Derzeit sind die Abstände zwischen den permanenten Referenzstationen bei SAPOS etwa 50 km. 

d.h. Der maximaler Abstand zu einer Station ist etwa 25 Km. Somit ist die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der 

Neupunktbestimmung nicht flächendeckend gegeben (bei Nutzung einzelner Stationen) 

Das hat zum Konzept der virtuellen Referenzstationen geführt. Anstelle einer real existierenden 

Referenzstation werden in Echtzeit GPS - Messdaten einer VRS „gerechnet“. Dies geschieht durch 

Berechnung der Korrektur - Daten in Echtzeit mit Messdaten der umliegenden Permanentstationen. 

Der Rover (Mobilstation) erhält dann Korrekturdaten von einer „Virtuellen Referenzstation“ im 

Messgebiet . Dadurch hat man kurze Basislinien und genaue Korrekturdaten für die Neupunkte. 


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GNSS GNSS - Empfänger 

GNSS - Empfänger 

Für die GNSS – Messung mit Korrekturdaten von den Satellitenpositionierungsdiensten SAPOS oder ASCOS 

braucht man einen L1 und L2 – Empfänger mit einem Modem für die Echtzeitübertragung der Korrekturdaten. 

Bei der Übertragung der Korrekturwerte wird das international vereinbartes RTCM - Datenformat, (RTCM 2.3 und 

RTCM 3) benutzt. 

Beispiel für einen GNSS – Empfänger (Rover) als Rucksacklösung. 

Aufgabe: 

1. Beschreiben Sie die Einzelteile dieser GNSS – Ausrüstung! 

2. Beschreiben Sie die Einzelteile der GNSS – Ausrüstung in ihrem Büro! 


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GNSS Fehlereinflüsse beim GNSS 

Fehlereinflüsse beim GNSS 

Bei einer GNSS – Messung können verschiedene Fehler auftreten. Man versucht durch die Messanordnung 

oder die Auswertesoftware die Fehler möglichst klein zu halten bzw. zu beseitigen. 

Restfehler lassen sich jedoch nicht vermeiden.Bei den Fehlern unterscheiden wir: 

Fehler im Raumsegment und Kontrollsegment 

Satellitenuhrenfehler Satellitenbahnfehler 

Dieser Einfluss ist sehr klein bei synchronisierten Diese Fehler führen zu falschen Koordinaten der 

Empfängeruhren und differentiellen Verfahren. Satellitenposition. 

Der Fehlereinfluss bei Differenzialverfahren 

beträgt ca. 0,1-0,5 ppm je nach Länge der 

Basislinie. (1ppm = 1mm / km) 

Signalausbreitungsfehler 

Ionosphärische und Troposphärische 

Refraktion 

Die Laufzeit von Code und Trägerphase wird 

beeinflusst. Es ergibt eine fehlerhafte 

Streckenmessung. Der Fehler kann nur durch 

Messung der L1 und L2 Trägerwelle klein gehalten 

werden. Restfehler bis 0,2 ppm 

(1ppm = 1mm / km) 

Fehler im Benutzersegment 

Mehrwegeausbreitung 

Am besten keine Punkte in der Nähe von 

reflektierenden Gegenständen (Häuser, Autos, 

Verkehrsschildern…) aufbauen. 

Vermeidung durch lange Beobachtungszeiten. 

Antennenphasenzentrum Messrauschen 

Der Fehler entsteht, wenn das geometrische 

Zentrum der GPS-Antenne vom physikalischen 

Antennenzentrum abweicht. 

Fehler bis zu 1 cm 

Der Fehler wird durch gleiche Antennenbauart und 

Ausrichtung der Antenne verkleinert. 

Andere Genauigkeitseinflüsse 

Unter Messrauschen versteht man die 

empfängerabhängige Unsicherheit bei der Code- 

und Phasenmessung 

Satellitenanzahl Satellitenverteilung 

Je mehr Satelliten über dem Horizont (oberhalb 

der Elevationsmaske), umso höher die 

Genauigkeit der Messung. Die 

Genauikeitswahrscheinlichkeit wird in DOP 

(Dilution of precision) angegeben. 

Kleine DOP- Werte = hohe Genauigkeit. 

(PDOP =Wert für die 3 D- Genauigkeit.) 

Satelliten unterhalb eines Höhenwinkels von 12° 

sollten mit Hilfe einer Elevationsmaske vom 

Empfang ausgeschlossen werden. 

Ungünstige Satelliten- 

verteilung führen zu schleifenden Schnitten und 

schlechten DOP-Werten (Genauigkeitsverlust) 


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GNSS GNSS – Einsatz in der Vermessungstechnik 

GNSS – Einsatz in der Vermessungstechnik 

Für den GNSS – Einsatz in der Vermessungstechnik gibt es Richtlinien bzw. Vorschriften. 

Aufgabe : 

Welche Richtlinien und Vorschriften gelten in Ihrem Bundesland. 

Quelle: Geobasis NRW 

Inhalt der Richtlinien: 

SAPOS und ASCOS bieten verschiedene Dienste für unterschiedliche Genauigkeiten an: 

Aufgabe: 

Beschreiben Sie mit Hilfe der Internet – Informationen (bzw. Prospekte) die unterschiedlichen Dienste (Angebote) 

von SAPOS und ASCOS. 


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GNSS Planung der GNSS - Messung 

Planung der GNSS - Messung 

Für GNSS – Messungen mit hoher Genauigkeit ist eine möglichst große Anzahl von Satelliten über dem 

Messgebiet notwendig. Die kostenlose Software „Planning“ der Firma Trimble 

http://www.trimble.com/planningsoftware_ts.asp?Nav=Collection-8425 

unterstützt die Zeitplanungen für die Messung. 

Beispiel: Messungen am RWB-Essen zwischen 13:30 bis 17:50 am 25.04.2009 mit den Systemen GPS und 

GLONASS. 

Aufgabe: 

1. Bestimmen Sie die beste Messzeit für ihr Messgebiet und drucken Sie die wichtigen Angaben aus. 

2. Bestimmen Sie durch GNSS – Messung die GK – Koordinaten und UTM – Koordinaten von 2 Punkten 

an Ihrem Schulungsort. 

3. Überprüfen Sie die Messungen mit Hilfe von Transformationsprogrammen.(z.B. TRABBI 2D) 

4. Berechnen Sie die Strecke zwischen den Punkten in beiden Lagebezugssystemem. 

5. Überprüfen Sie die Strecke mit dem Messband. 

Pkt. DHDN / GK - Koordinaten ETRS89 / UTM - Koordinaten 

Nr. Y = Rechtswert X = Hochwert NHN - Höhe E = Eastwert N = Northwert NHN - Höhe 


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