Differential Global Positioning System

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DGPS-Referenzantenne (Choke-Ring-Antenne)

Differential Global Positioning System (DGPS, „Globales Positionssystem (mit) Differential(signal)“) ist eine Bezeichnung für Verfahren, die durch das Ausstrahlen von Korrekturdaten (Bahn- und Zeitsystem) die Genauigkeit der GPS-Navigation steigern können.

Funktionsprinzip[Bearbeiten]

Die Positionsbestimmung von GPS basiert auf der Messung der Abstände des Empfängers zu mehreren Satelliten. Der Abstand wird indirekt über die Laufzeit der Signale von den Satelliten zum Empfänger gemessen. Dies ist möglich, weil die Geschwindigkeit, mit der sich die Signale ausbreiten, konstant und bekannt ist. Allerdings ergeben sich in der Praxis gewisse Ungenauigkeiten, weil die Geschwindigkeit der Signale durch atmosphärische Störungen leicht variiert.

Referenzstation[Bearbeiten]

Mobile Referenzstation Baseline HD von Claas für den Einsatz bei satellitengestützten Lenksystemen in der Landwirtschaft

Beim DGPS werden ortsfeste GPS-Empfänger benutzt, sogenannte Referenzstationen. Aus der Abweichung der tatsächlichen und der empfangenen Position lassen sich für jeden Satelliten die wirklichen Laufzeiten der Signale zum Empfänger sehr genau bestimmen. Die Referenzstation übermittelt nun die Differenzen der theoretischen und der tatsächlichen Signal-Laufzeiten an die DGPS-Empfänger in der Umgebung.

DGPS-Empfänger[Bearbeiten]

Die DGPS-Empfänger verwenden diese Differenz-Angaben als Korrektursignal, wodurch sich die Position des Empfängers erheblich genauer berechnen lässt. Die für die Korrektursignale notwendige Empfangsantenne ist oft schon in die GPS-Antennen integriert. Fällt die (Funk-)Verbindung zur DGPS-Sendeanlage aus, schaltet der Empfänger in den normalen GPS-Modus ohne Korrektur um, verliert aber dann den Genauigkeitsvorteil.

Wie stark die Genauigkeit erhöht werden kann, hängt hauptsächlich von der Entfernung des DGPS-Empfängers von der Referenzstation ab. Die erreichbare Genauigkeit liegt je nach Qualität des Empfängers und der Korrekturdaten zwischen 0,3 m und 2,5 m für die Lage (x, y) und bei 0,2 m bis 5 m für die Höhe. Hochqualitative Systeme werten zusätzlich die Trägerphase aus (wie z. B. bei geodätischen Empfängern üblich) und erreichen Genauigkeiten von wenigen Millimetern (± 1 mm bis ± 10 mm pro km Abstand zur Referenzanlage).

Offline-Methode (Postprocessing)[Bearbeiten]

Man kann die Messdaten (die empfangenen Satellitensignale) entweder für eine nachträgliche Auswertung aller Messpunkte aufzeichnen (offline) oder die Positionskorrekturen der Basisstation online an alle Rover übermitteln. Erstere Methode wurde vor allem in der Anfangszeit von GPS verwendet, ist aber bis heute für genaue Vermessungsnetze in Gebrauch. Die Berechnung erfolgt durch einen räumlichen Netzausgleich, der entweder auf den Signal-Laufzeiten oder auf ihrer Phasenmessung beruht. Wenn Genauigkeiten im Dezimeter- bis Meterbereich ausreichen, genügt auch die Ausgleichung der von den Empfängern direkt berechneten Positionen.

Für weit ausgedehnte Vermessungsnetze kann es notwendig sein, diese in überlappende Abschnitte zu unterteilen, die sogenannten Sessionen. Mit den vorhandenen Empfängern wird ein Teil der Punkte und ein bis drei Referenzpunkte gleichzeitig eingemessen; mittels letzteren kann das gesamte Netz a posteriori einheitlich ausgeglichen werden. Auch eine nachträgliche „Anfelderung“ einzelner Netzteile ist möglich.

Im ersten GPS-Jahrzehnt, als die Empfänger noch sehr teuer waren, wurden auch Verfahren zur Genauigkeitssteigerung mit nur einem Empfänger entwickelt („single receiver methods“), u. a. das qGPS (Quasidifferenz-GPS) der TU Wien, das die einzelnen Messpunkte durch wiederholtes Aufsuchen eines zentral gelegenen Bezugspunktes gegeneinander versteift. Die Messungen auf solchen Knotenpunkten ermöglichen durch geeignete Ausgleichung nicht nur eine genauere Vernetzung, sondern auch die Bereinigung eines eventuellen zeitlichen Trends in den ermittelten GPS-Koordinaten.

Online-Methoden (Korrektursignale)[Bearbeiten]

Im Allgemeinen werden jedoch die Korrekturdaten der Referenzstation(en) direkt an alle Empfänger gefunkt oder – im Falle regionaler Permanentstationen – auch über das Internet verbreitet.

Durch telefonische oder Funkübertragung der Korrekturdaten einer Basisstation kann jeder Rover sofort seine Ortungsgenauigkeit erhöhen. Eine feinere Korrektur kann auch im Nachhinein erfolgen, wenn Rover und Basisstation alle Daten zur Positionsbestimmung aufzeichnen (Postprocessing).

Die Korrekturdaten können vom Anwender selbst erzeugt werden, wenn ein zweiter GPS-Empfänger vorhanden ist. Um aber auf Zweitgeräte verzichten zu können, haben viele Länder permanente Referenzstationen eingerichtet, die von Anwendergruppen oder der amtlichen Landesvermessung betrieben werden (z. B. das SAPOS-Netz der deutschen Bundesländer). Dadurch sind auch mit nur einem Empfänger hochgenaue Positionsbestimmungen möglich, bei entsprechender Hardware sogar praktisch in Echtzeit.

  • Für Deutschland wurde SAPOS-HEPS (Hochpräziser Echtzeit Positionierungs-Service) entwickelt. Er bietet eine Lagegenauigkeit von ca. 1–2 cm und eine Höhengenauigkeit von ca. 2–3 cm.

Für Messungen im SAPOS-System benötigt man Roverausrüstung mit einem geodätischen, RTK-fähigen GNSS-Empfänger, sowie ein Modem / Handy für den Empfang der SAPOS-Daten. Man kann sich dabei (unter Beibehaltung von Satellitenkontakt und Handyverbindung) von Punkt zu Punkt bewegen, ohne den Empfänger jedes Mal neu initialisieren zu müssen. Dies ermöglicht flexibles Arbeiten und man erhält sofort die Koordinate eines Punktes im ETRS-Koordinatensystem. Als Beobachtungszeit pro Punkt genügen 5–20 Sekunden.
Vorteil: Wirtschaftlichkeit durch geringen Zeit- und Personalaufwand. Koordinaten direkt erhältlich ohne innendienstliche Nachbearbeitung. Keine Abhängigkeit von Tageszeit oder Wetter.
Nachteil: Koordinatenbestimmung in Pr.La nur durch Koordinaten-Transformation.

  • In anderen Ländern wurden ähnliche Datendienste aufgebaut, die entweder amtlich, von Vermessungsdiensten oder von EVUs betrieben werden. In Österreich sind es v. a. Kraftwerksbetreiber und das dGPS der Ingenieurbüros, in der Schweiz das swipos der Landestopografie, in Deutschland neben Sapos Anbieter wie ALF, AMDS oder ascos.
  • Bei der Methode der Pseudorange-Korrektur berechnet die Basisstation die Fehler der Strecken zu den Satelliten und übermittelt diese an den Rover. So ist auch eine Korrektur möglich, wenn von der Basisstation und dem Rover unterschiedliche Satelliten empfangen werden. Es sind Genauigkeiten <1 m möglich.
  • Bei sehr genauen Messungen wird auch die Phasenlage der Satellitensignale ausgewertet. Dadurch sind Genauigkeiten von ± 1 bis ± 10 mm pro km Abstand zur Basisstation erreichbar.
  • Auf dem Meer ist geringere Genauigkeit ausreichend, doch eine Verbreitung über Radio nützlich. Für die Bundesrepublik Deutschland werden Differential-Stationen von der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung betrieben. Sie arbeiten nach dem internationalen IALA-Standard und senden Korrekturdaten auf Mittelwelle für den Küsten- und Binnenbereich aus. Zentrale technische Behörde ist die Fachstelle der WSV für Verkehrstechniken in Koblenz.

Verbreitung der Korrektursignale[Bearbeiten]

Funk[Bearbeiten]

Die Korrektursignale werden üblicherweise über Funk oder für spezielle Anwendungen über andere Datenübertragungswege an die DGPS-Empfänger übermittelt. Da sich die Laufzeitunterschiede der einzelnen GPS-Signale nur langsam ändern, ist diese Übertragung nicht zeitkritisch. Für einfache DGPS-Korrektur reicht eine Korrektur alle drei Sekunden aus, für hochgenaue DGPS-Korrektur sind sehr viel höhere Raten im Bereich von 0,1 Sekunden nötig.

Neben den regionalen DGPS-Korrekturdaten, die jeweils von einer einzelnen Referenzstation abgeleitet und ausgesendet werden, gibt es auch Korrekturdaten für große Gebiete, die über geostationäre Satelliten verbreitet werden (SBAS). Diese Daten werden aus den Empfangsdaten in einem Netz von Referenzstationen abgeleitet und für kontinentweite Verbreitung über geostationäre Satelliten gesendet. In Europa heißt dieses satellitengestützte DGPS-System EGNOS, in Amerika WAAS, in Japan MSAS und in Indien GAGAN.

Bodenbasierte Systeme (GBAS) werden in der Bundesrepublik Deutschland im Rahmen des Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermessung SAPOS betrieben. Weiterer Betreiber von Referenzstationen ist z. B. die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV). Deren Stationen arbeiten nach dem internationalen Standard der International Association of Lighthouse Authorities (IALA) und senden Korrekturdaten auf Mittelwelle für den Küsten- und Binnenbereich aus. Zentrale technische Behörde ist die Fachstelle der WSV für Verkehrstechniken in Koblenz.

Folgende Referenzstationen können bzw. konnten in Deutschland genutzt werden:

  • einfache Korrektursender (alle drei Sekunden)
    • Deutschlandfunk Sender Donebach (Langwelle 153 kHz, die Übertragung erfolgt nach dem AMDS-Verfahren parallel zum Rundfunkprogramm)
    • Seit dem 8. Januar 2012 außer Betrieb: Bodenseesender (Mittelwelle: Sendefrequenz 666 kHz, die Übertragung erfolgte nach dem AMDS-Verfahren parallel zum Rundfunkprogramm).
    • DCF42 (Langwelle, dedizierter DGPS-Sender mit AMDS-Verfahren, Senderstandort: Mainflingen neben dem Zeitsender DCF77).
    • DGPS-Stationen der WSV (Standard der International Association of Lighthouse Authorities, IALA) für See: Helgoland (intl. „Düne“)/Groß Mohrdorf (intl. „Wustrow“), für Binnengewässer: Zeven/Bad Abbach/Iffezheim/Mauken/Koblenz.
    • Europäische Sendestationen des Funknavigationssystems LORAN-C senden zusammen mit dem LORAN-C-Signal differenzielle Korrekturen zum GPS aus. Dieser als Eurofix bezeichnete Dienst soll im gesamten Sendebereich des Northwest European LORAN-C System (NELS) verfügbar sein und sendet ungefähr alle zwei Sekunden. Die Datenrate des neuen Standards eLORAN ist ähnlich, jedoch ist dieses Verfahren nach NfL II-97/98 (Nachrichten für Luftfahrer) bisher noch nicht zugelassen. Beide Verfahren werden hauptsächlich im maritimen Bereich eingesetzt.
    • Seit 28. Dezember 2008 außer Betrieb: DRS Beromünster (Schweiz) (Mittelwelle: Sendefrequenz 531 kHz, die Übertragung erfolgte nach dem AMDS-Verfahren parallel zum Rundfunkprogramm).

Internet[Bearbeiten]

DGPS-Daten können, wie jedes andere Echtzeit-Datenformat, mit verschiedensten Methoden über das Internet zur Verfügung gestellt werden. Das Ntrip-Protokoll bietet ein von der RTCM standardisiertes Verfahren zur Übertragung von DGPS- und anderen Navigationsdaten. Da Navigation meist außerhalb kabelgebundener Internetanschlüsse geschieht, ist hier eine Verbreitung über WLAN, UMTS und insbesondere GPRS/GSM gemeint.

Weitere Information zur Zuverlässigkeit[Bearbeiten]

Auf Funk basierende Systeme sind prinzipbedingt nicht sicher und können durch Funkstörungen ausfallen. Bei GPS gibt es neben den natürlichen Funkproblemen noch die nicht auszuschließende Möglichkeit einer unangekündigten Verschlüsselung oder absichtliche Fehler der GPS-Signale durch den jeweiligen Betreiber, wie es lange Zeit beim amerikanischen GPS-System üblich war. Um trotzdem sicherheitsrelevante Anwendungen wie die Navigation von Flugzeugen zu ermöglichen, können neben den Korrektursignalen auch Signale über die aktuelle GPS-Güte von der Referenzstation an die DGPS-Empfänger übertragen werden. Kann der DGPS-Empfänger also die GPS-Signale empfangen, das Korrektursignal von der Referenzstation und zusätzlich die darin enthaltene Information, dass die GPS-Satelliten unverfälschte Signale aussenden, kann er von einer zuverlässigen Positionsmessung ausgehen. Ist eine dieser Bedingungen nicht erfüllt, dürfen die Positionsdaten nicht für sicherheitsrelevante Anwendungen herangezogen werden; in diesem Fall muss beispielsweise ein Flugzeugführer GPS-basierte Navigationssysteme und automatische Start- und Landesysteme abschalten und durch andere Methoden ersetzen.

Anwendung[Bearbeiten]

Das Verfahren wird zum Beispiel beim Militär, in der Schifffahrt, beim Precision Farming in der Landwirtschaft und großflächig zur Vermessung in der Geodäsie angewendet. Viele GPS-Empfänger für den Endanwender haben bereits in der untersten Preisklasse DGPS implementiert.

Luftfahrt[Bearbeiten]

Seit 1998 ist Streckennavigation im Flugverkehr mittels GPS in Deutschland erlaubt. Dazu müssen die zugelassenen Geräte eine Zuverlässigkeitsprüfung der Daten durchführen (RAIM), die den Empfang von mindestens fünf Satelliten benötigt. Moderne Empfänger außerhalb der Luftfahrt haben heute 12 und mehr Empfangskanäle.

Nichtpräzisionslandeanflüge können ausschließlich mit GPS absolviert werden. Es darf jedoch nur die horizontale Information verwertet werden, für eine Präzisionslandung ist die Höhenmessung nicht genau genug für die Führung auf dem Gleitweg. Bodengestützte Navigationshilfen sind hierfür nicht nötig.

Mithilfe des SBAS namens EGNOS sollen Präzisionsanflüge bis zur Kategorie I möglich werden, bei einer Signalauffrischung alle 500 ms. Bei höheren Anforderungen oder schwierigen Empfangsbedingungen sollen bodenbasierte Systeme, wie SAPOS, eingesetzt werden. Der Hochpräzise (jedoch kostenpflichtige) Echtzeit-Positionierungs-Service (HEPS) dieses Systems liefert beispielsweise eine horizontale Lagegenauigkeit von 1 bis 2 cm und eine Höhengenauigkeit von 2 bis 3 cm.

Winkelmessung[Bearbeiten]

GPS-basierte Verfahren zur Winkelmessung beruhen auf denselben Signalen wie die Ortsbestimmung, nutzen aber ein vollkommen anderes Messprinzip: Auf einem Antennenträger werden zwei Antennen mit definiertem Abstand montiert, deren Empfangssignale miteinander verglichen werden. Es wird kein Referenzsignal von einer ortsfesten Referenzanlage benötigt, sondern aus Antennenabstand und Phasenverschiebung kann direkt der Winkel der Antennen-Verbindungsachse zum Satelliten und, mit den Ephemeriden des Satelliten, auch der gegen die Nordrichtung bestimmt werden. Messgenauigkeiten von 0,01° bis 0,1° lassen sich erzielen.

Geräte dieser Art werden gelegentlich als elektronischer Kompass oder GPS-Kompass bezeichnet. Sie sind auf Grund ihres höheren Geräteaufwandes und kleiner Stückzahlen relativ teuer und wenig verbreitet. Verwendet werden sie beispielsweise auf Schiffen oder Baumaschinen.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Differential Global Positioning System – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien