Globales Navigationssatellitensystem

Frequenzen der verschiedenen GNSS

Ein Globales Navigationssatellitensystem (engl. Global Navigation Satellite System) oder GNSS ist ein System zur Positionsbestimmung und Navigation auf der Erde und in der Luft durch den Empfang der Signale von Navigationssatelliten und Pseudoliten.
GNSS ist ein Sammelbegriff für die Verwendung bestehender und künftiger globaler Satellitensysteme wie

• NAVSTAR GPS (Global Positioning System) der Vereinigten Staaten von Amerika
• GLONASS (Globales Satellitennavigationssystem) der Russischen Föderation
• Galileo der Europäischen Union
• Beidou der Volksrepublik China

Arbeitsweise

GNSS-Satelliten teilen über Funk ihre genaue Position und Uhrzeit mit. Zur Positionsbestimmung muss ein Empfänger die Signale von mindestens vier Satelliten gleichzeitig empfangen. Im Empfangsgerät werden dann die vier Signallaufzeiten (von den Satelliten zur Empfangsantenne) errechnet. Daraus werden dann die aktuelle Position (inklusive der Höhe) und die genaue Empfängeruhrzeit ermittelt.

Bei einer Flughöhe von ca. 25.000 km wird eine Konstellation von 24 bis 30 Satelliten verwendet. Damit soll sichergestellt werden, dass die Empfangsgeräte - auch bei nicht vollkommen freier Sicht zum Horizont - möglichst immer Signale von mindestens vier Satelliten gleichzeitig empfangen können.

Stationäre Empfangsstationen verbessern die Positionsgenauigkeit, indem sie Korrektursignale (DGPS) an die Nutzer übermitteln. Von den Landesvermessungsämtern der BR Deutschland wird das SAPOS-System betrieben. SAPOS stellt drei verschiedene Signaldienste zur Verfügung, die eine Genauigkeit von bis zu unter 1 cm erreichen.

Satellitengestützte Zusatzsysteme, engl. Satellite-Based Augmentation Systems (SBAS), sind das europäische EGNOS, das US-amerikanische WAAS, das japanische MSAS und das indische GAGAN, die die Korrektursignale über geostationäre Satelliten abstrahlen.

Bei der Standortbestimmung über Satelliten misst man de facto die Laufzeiten der Signale von mindestens vier Satelliten. Jede dieser (Pseudo-)Entfernungen definiert eine Kugelfläche um den zugehörigen Satelliten, auf der sich der Empfänger befindet. Zwei Kugelflächen schneiden sich in einem Kreis und drei Kugelflächen ergeben maximal zwei Punkte als Schnittmenge (wenn man vom geometrischen Fall eines gleichen Radius und Mittelpunkts absieht, was in diesem technischen Kontext nicht möglich ist). Einer davon befindet sich einige tausend Kilometer von der Erdoberfläche entfernt und kann somit verworfen werden; der andere stellt die gesuchte Position des Empfängers dar. Ein vierter Satellit wird benötigt, um die Abweichung zwischen den Uhren der GNSS-Satelliten und der des Empfängers zu ermitteln und aus den gemessenen Laufzeiten herauszurechnen, d. h. die Pseudoentfernungen in tatsächliche Entfernungen umzurechnen.

Messabweichungen

Laufzeitfehler durch Winkel

Wie bei der Triangulation sollte das Volumen des Tetraeders, das die Satelliten mit dem Beobachter an der Spitze aufspannen, möglichst groß sein; ansonsten verringert sich die erreichbare Positionsgenauigkeit (Dilution of Precision, DOP). Befinden sich die Satelliten mit dem Empfänger in einer Ebene, das heißt vom Beobachter gesehen scheinbar auf einer Linie, ist keine Ortsbestimmung möglich. Eine solche Konstellation tritt jedoch praktisch nie auf.

Die Atmosphäre verändert die Signallaufzeit. Anders als bei der Troposphäre ist der Einfluss der Ionosphäre frequenzabhängig. Er lässt sich teilweise korrigieren, wenn der Empfänger Signale auswertet, die der Satellit auf unterschiedlichen Frequenzen sendet (Zweifrequenz-Empfänger). Für die zurzeit (2011) im Freizeitmarkt üblichen GPS-Empfänger steht nur ein Signal zur Verfügung.

Die satellitenbedingten Fehler, also Satellitenposition und Zeitmessung, werden im Englischen als Signal in Space – User Range Error (SIS-URE) bezeichnet, die Fehler bei der Wegausbreitung User Equivalent Range Error (UERE).
Die Genauigkeit nimmt zu, wenn mehr als vier Satelliten empfangen werden können. Diese Messung wird dann „überbestimmte Ortung“ genannt. Die Fehler lassen sich nachträglich durch Vergleich mit Referenzmessungen bis auf wenige Zentimeter verringern. Diese Art der Korrektur wird als Differential Global Navigation Satellite System (DGNSS) bezeichnet. Sie findet beim Differential-GPS (DGPS) in Echtzeit statt, falls die Referenzdaten online zur Verfügung stehen.
Wertet man außerdem noch die Phasen der Satellitensignale aus, lassen sich auch dynamisch relative Genauigkeiten von wenigen Zentimetern erreichen.