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2 Inhalt A-GPS assisted GPS Almanach C/A-Code CEP, circular error probable DGPS-System DOP, dilution of precision EGNOS-System Galileo GLONASS GNSS, global navigation satellite system GPS-System GPS-Frame GPS-Frequenz GPS-Positionsbestimmung MSAS-System NAVSTAR P-Code RIMS, ranging and integrity monitor station RNSS, radio navigation satellite service SA, selective avaibility Satelliten- Navigation SBAS-System TTFF, time to first fix WAAS-System Impressum: Herausgeber: Klaus Lipinski Copyrigt 2005 DATACOM-Buchverlag GmbH Dietersburg Alle Rechte vorbehalten 2

3 A-GPS assisted GPS Almanach almanac C/A-Code C/A, coarse/aquisition CEP circular error probable CEP-Wahrscheinlichkeit 3 A-GPS ist ein GPS-System mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich der Bestimmung der Erstposition. Diese kann wesentlich schneller erfolgen weil der A- GPS-Server kontinuierlich mit aktuellen Satellitenpositionen versorgt wird. In der Satelliten-Navigation versteht man unter Almanach einen Datensatz, der die kurzlebigen Parameter mit denen die GPS-Empfänger die Elevation und den Winkel des Azimuts der Satelliten berechnen, umfasst. Dazu gehören u.a. die Umlaufbahnen und die Abweichungen der Zeitreferenzen. Jeder der 24 Satelliten des GPS-Systems sendet die Almanachs aller Satelliten. Der C/A-Code ist ein spezieller Code für die zivile Nutzung des GPS-Systems, bei dem die Auflösung verringert wird. Der C/A-Code wird über eine Pseudozufallszahl als Bit langer Code aus der 10,23-MHz-Frequenz der Atomfrequenznormale gewonnen, die sich jede Millisekunde wiederholt. In der Spreizbandtechnik (DSSS) benutzt man anstelle der Bezeichnung Bits die Bezeichnung Chips. Es handelt sich dabei um die Elemente einer Pseudozufallszahl. Das C/A-Signal wird in Spreizbandtechnik mit einer Bandbreite von 2 MHz übertragen. Der wahrscheinliche Fehler in der Ortsgenauigkeit von Satelliten- Navigationssystemen bedeutet, dass der angegebene Prozentsatz aller Messwerte sich in dem gemessenen und auf dem GPS- Empfänger angezeigten Radius befinden. Beträgt beispielsweise der angezeigte CEP- Wert 50 % für einen Radius von 5 m, dann besagt das, dass sich die Hälfte aller Messergebnisse innerhalb dieses Radius befindet, allerdings auch die Hälfte der Messwerte außerhalb liegt.

4 Andererseits liegen 95 % aller Messergebnisse in einem Kreis mit doppelt so großen Radius, das wären 10 m. DGPS-System DGPS,differential global positioning system Prinzip des DGPS DOP dilution of precision 4 Das DGPS-System bietet eine weitaus höhere ortsbezogene Genauigkeit als das GPS-System. Mit ihm kann die Position eines Benutzers auf 3 m bis 5 m genau bestimmt werden. Zu diesem Zweck arbeitet das DGPS-System mit einer stationären Referenzstation, deren Koordinaten exakt bekannt sind. Diese Referenzstation enthält einen GPS-Empfänger, der die Differenzen zwischen den gemessenen Distanzen zu den Satelliten und den tatsächlichen Sollwerten ermittelt. Die Differenzwerte werden als Korrektursignale über Rundfunk an die GPS-Benutzer im Umkreis übertragen, die diese decodieren und in ihrer Positionsberechnung berücksichtigen. In einem solchen DGPS-System bildet die Referenzstation eine neue Referenzposition für einen bestimmten lokalen Bereich. Die Ungenauigkeit in der Satelliten-Navigation kann verschiedene Ursachen haben, die in der geometrischen Positionsbestimmung liegen. In der Satelliten-Navigation

5 EGNOS EGNOS-System European geostationary overlay service Galileo Galileo 5 unterscheidet man zwischen verschiedenen Standardabweichungen wie der GDOP, HDOP, PDOP, VDOP, TDOP und RDOP. EGNOS ist ein von den Europäern initiiertes Navigationssystem mit dem die Ortungsgenauigkeit des GPS-Systems auf einige Meter erhöht wird. Das Egnos- System arbeitet mit drei geostationären Satelliten, die, ebenso wie die 34 Empfangsstationen, den so genannten Ranging and Integrity Monitor Station (RIMS), Korrektursignale für den GPS-Empfang errechnen. Diese Korrektursignale beziehen sich auf die Schwankungen in den GPS-Satellitenbahnen und Störungen der Ionosphäre, die die Ortungsgenauigkeit beeinträchtigen. Die berechneten Korrektursignale werden von Kommunikationssatelliten wie Inmarsat abgestrahlt. Das von den Europäern entwickelte und von der European Space Agency (ESA) betriebene Egnos-System gehört zu den SBAS-Systemen und ist vergleichbar dem von den Amerikanern entwickelten WAAS-System und dem von den Asiaten entwickelten MSAS-System. Die drei geostationären Satelliten des Egnos-Systems, Inmarsat AOR-E, Artemis und Inmarsat IOR-W, sind auf den Längsgraden 15,5 West, 21,3 East und 65,5 East positioniert und decken den europäischen und afrikanischen Kontinent ab. Die Egnos-Signale können mit entsprechenden Empfängern in der Luft, auf dem Land und zu Wasser empfangen und zivil genutzt werden. Die Ortungsgenauigkeit liegt bei etwa 1 m bis 3 m im Gegensatz zur GPS-Genauigkeit von etwa 15 m. Das von der Europäischen Union (EU) initiierte Satelliten-Navigationssystem Galileo ist das Pendant zum US-amerikanischen Global Positioning System (GPS). Es wird von der europäischen Raumfahrtagentur ESA geleitet und soll 2008 in Betrieb gehen. Galileo ist genauer als GPS und zielt primär auf zivile Anwendungen ab. Entsprechend den vielseitigen Einsatzgebieten, bietet Galileo mehrere unterschiedliche Dienste: den Basisdienst, den kommerziellen, den sicherheitskritischen und den öffentlich regulierten Dienst sowie den Such- und Rettungsdienst.

6 GLONASS global navigation satellite system GNSS global navigation satellite system 6 Der Basisdienst (Open Service, OS) übermittelt Zeit- und Positionssignale mit einer Genauigkeit von 4 m. Dieser kostenlose Dienst kann beispielsweise für Fahrzeugleitsysteme eingesetzt werden. Im kommerziellen Dienst, dem Commercial Service (CS), der sich durch eine Genauigkeit von weniger als 1 m auszeichnet, wird der Empfang auch in Schattenbereichen von Gebäuden oder Bergen garantiert. Der sicherheitskritische Dienst, ist speziell für die Funktionsüberwachung von Luft-, Schienen- und Schiffsverkehr gedacht. Bei dem öffentlich regulierten Dienst, dem Public Regulated Service (PRS), der eine lokale Auflösung von 1 m hat und eine Verfügbarkeit von bis zu 99,9 %, werden die Signale verschlüsselt und sind gegen Störungen gesichert. Dieser Dienst ist für öffentliche Sicherheitseinrichtungen wie Polizei, Grenzschutz und Militär vorgesehen. Der Suchdienst (Safety-of-Life Service, SoL) ist für Rettungseinsätze vorgesehen, bei denen die Signale der Hilfesuchenden als Koordinaten an die Rettungsdienste übermittelt werden. Galileo arbeitet mit 30 MEO-Satelliten, von denen 3 als Reserve-Satelliten dienen, die auf Satellitenbahnen in Höhe von km die Erde umkreisen. Galileo sendet zehn Navigationssignale in drei Frequenzbändern. Band 1 für das Downlink liegt zwischen 1,164 GHz und 1,215 GHz, Band 2 zwischen 1,260 GHz und 1,300 GHz und Band 3 zwischen 1,559 GHz und 1,593 GHz. Die Frequenzbänder wurden von der ITU festgelegt. Das unterste Frequenzband ist den Radio Navigation Satellite Services (RNSS) zugeordnet. Glonass ist das russische Satelliten-Navigationssystem, das Pendant zu Galileo und dem Global Positioning System (GPS). Wie GPs verwendet Glonass ebenfalls 24 Satelliten in drei Orbitalbahnen. Globale Satelliten-Navigationssysteme dienen der weltweiten Ortung, der Koordinaten- und der Zeitübermittlung. Sie werden in kommerziellen Bereichen in der Luft- und Schifffahrt aber auch im Auto- und Schienenverkehr eingesetzt. Sie werden von der Polizei, dem Grenzschutz, Zoll und dem Militär eingesetzt, ebenso wie von Such- und Rettungsdiensten.

7 GPS-System GPS, global positioning system 7 Weltweit gibt es das US-amerikanische Global Positioning System (GPS), das primär für Militäraufgaben konzipiert wurde und mit einer verringerten Auflösung auch für zivile Zwecke genutzt wird. Daneben platziert sich das von der Europäischen Union initiierte Satelliten-Navigationssystem Galileo, das im Jahre 2008 betriebsbereit sein soll und in seinen Anwendungsmöglichkeiten weiter gefasst ist als das GPS-System. Weltumspannendes US-amerikanisches Satelliten-Navigationsssystem zur hochgenauen Ortung, Navigation und Zeitverteilung. GPS, der eigentliche Name ist NAVSTAR, arbeitet mit 24 umlaufenden Satelliten (21 Betriebs- und 3 Ersatzsatelliten) auf 6 Umlaufbahnen in km Höhe, die oberhalb der MEO- Satelliten positioniert sind. Die Umlaufbahnen sind so eingestellt, dass an allen Punkten der Erdoberfläche gleichzeitig vier Satelliten empfangen werden, was auch die Voraussetzung für die Ortsbestimmung ist. Ausgestattet sind die GPS-Satelliten mit mehreren Caesium- oder Rubidium-Normalen, die eine konstante Zeit mit einer Langzeitkonstanz von 10exp-13 erzeugen. Aus der Grundfrequenz der Atomfrequenznormale von 10,23 MHz werden alle benötigten Frequenzen abgeleitet. Die beiden Sender der GPS-Satelliten arbeiten in Spreizbandtechnik und senden auf den GPS-Frequenzen von 1,57542 GHz und 1,2276 GHz. Die Abstrahlleistung der GPS-Satelliten beträgt lediglich 50 W, was ursächlich für die geringe Datenrate von 50 bit/s verantwortlich ist. Die GPS-Signale werden in Phasenmodulation moduliert. Die GPS-Positionsbestimmung kann mit zwei GPS-Satelliten erfolgen, wenn es sich um Ortungen auf Meereshöhe handelt. Wenn bei der Ortung allerdings auch die Höhenangabe berücksichtigt wird, werden die GPS-Frames von mindestens drei GPS-Satelliten benötigt. Die Genauigkeit der Ortung ist abhängig vom geschalteten Service, aber auch vom Abweichungsfehler, der durch die Satellitenstellungen bedingt ist, ebenso wie durch Störeinflüsse der Ionosphäre. Die Verschlechterung der Genauigkeit wird als Dilution of Precision (DOP) bezeichnet. Die Genauigkeit liegt nach der Aufhebung der C/A- Code für zivile Nutzung bei etwa +/-15 m, vorher lag sie bei etwa 100 m, bei militärischen Anwendungen unter Benutzung des P-Codes im Meterbereich.

8 GPS-Frame GPS frame Es gibt verschiedene Verfahren mit denen die Genauigkeit des GPS-Systems für zivile Nutzung erhöht werden kann. Zu diesen Systemen, die man SBAS-Systeme nennt und die mit Korrektursignalen arbeiten, gehören WAAS, EGNOS und MSAS. Außerdem gibt es mit DGPS ein Verfahren, das über Differenzmessungen der Laufzeiten das örtliche Auflösungsvermögen auf wenige Meter erhöht. Das von der Europäischen Union initiierte strategische Konkurrenzsystem ist Galileo; das von der damaligen UDSSR entwickelte System heißt Glonass. Der GPS-Datenrahmen besteht aus mehreren Frames, die kontinuierlich gesendet werden und die Korrekturdaten für die Empfänger-Zeitreferenz, die Bahndaten, Korrekturdaten und das Almanach. Der gesamte GPS-Datenrahmen besteht aus mehreren Subframes, die jeder für sich aus 10 Datenwörter bestehen. Ein solches Datenwort umfasst 30 Bit und dauert bei einer Datenrate von 50 bit/s 0,6 s. Daraus folgt die Länge eines Subframes mit 300 Bit und einer Übertragungsdauer von 6 s. Das Frame selbst besteht wiederum aus 5 Subframes und dauert 30 s. Und das gesamte GPS-Datensignal besteht wiederum aus 25 Frames, Bit und benötigt bei der niedrigen Übertragungsrate von 50 bit/s eine Übertragungszeit von 12,5 Minuten. GPS-Datenrahmen 8

9 GPS-Frequenz GPS frequency GPS- Positionsbestimmung 9 Zur GPS-Positionsbestimmung werden die Impulsfolge der empfangenen GPS- Frames grafisch dargestellt und auf dem Display des GPS-Empfängers durch Verschiebung zur Deckung gebracht. Die Verschiebung dieser Impulsfolge ist ein Maß für die Signallaufzeiten und die Satellitenpositionen im Verhältnis zum GPS- Empfänger. Über diese Signallaufzeiten errechnet der GPS-Empfänger den genauen Standort, der gespeichert und fortlaufend aktualisiert wird. Das Global Positioning System (GPS) arbeitet mit drei verschiedenen Frequenzen: den Trägerfrequenzen für die GPS-Signale und dem von den Atomfrequenznormalen abgeleitete Frequenz von 10,23 MHz, von der alle internen Frequenzen abgeleitet werden. Es gibt zwei GPS-Trägerfrequenzen von 1.575,42 MHz und 1.227,6 MHz, beide liegen im L-Band und werden mit L1 und L2 bezeichnet. Das L-Band wurde für die Navigations-Satelliten ausgewählt weil die Übertragung ohne Parabolantennen erfolgen kann und die Beeinträchtigungen der Übertragung durch ionosphärische Störungen geringer sind als in anderen Frequenzbereichen. Hinzu kommt, dass die Wellenabsorption durch Wettereinflüsse nicht beeinträchtigt wird. Die GPS-Trägerfrequenz F1 mit 1,57542 GHz hat eine Wellenlänge von 19,05 cm und überträgt die zivil nutzbaren GPS-Frames. L2 mit 1,2276 GHz und einer Wellenlänge von 24,45 cm ist für militärische Nutzung. Die GPS-Trägerfrequenzen werden mit Navigationsdaten und Codes für die Auflösungsgenauigkeit, dem C/A-Code und dem P-Code in Phasenmodulation moduliert. Um die exakte Position eines Empfängers mit der Satelliten-Navigation bestimmen zu können, werden die GPS-Frames von mindestens zwei Satelliten benötigt. Man spricht in diesem Fall von einem zweidimensionalen Modell, das keine Höhenangabe berücksichtigt und die GPS-Empfangseinrichtung so behandelt, als ob sie sich auf Meereshöhe befindet.

10 Positionsbestimmung mit zwei Satelliten MSAS-System MSAS, multi-functional satellite augmentation system 10 Für Ortungen mit Höherermittlung sind die GPS-Signale von mindestens drei Satelliten erforderlich. Es handelt sich dabei um ein dreidimensionales Modell. Generell wird die Position aus den Signallaufzeiten und den Satelliten- Positionen zu der GPS-Empfangstation berechnet. Die Navigations-Satelliten senden kontinuierlich Signale aus, aus denen die Satellitenposition, die Satellitenbahndaten und vor allem der Zeitpunkt der Aussendung des GPS- Signals hervorgehen. Der GPS- Empfänger vergleicht den Zeitpunkt der Aussendung mit seiner eigenen Zeitreferenz und ermittelt aus der Zeitdifferenz die Entfernung des Satelliten. Bei zwei empfangenen Satellitensignalen kann der GPS-Empfänger anhand der beiden Satellitenentfernungen und der Satellitenpositionen seine Position bestimmen, allerdings bezogen auf Meereshöhe. Unter Berücksichtigung der Höhenberechnung und der Ungenauigkeit der GPS- Empfänger-Zeitreferenz kann mit drei Satelliten eine exakte Ortsbestimmung vorgenommen werden. Das MSAS-System ist ein von Japan und einigen asiatischen Ländern entwickeltes Navigationssystem, mit dem die Ortungsgenauigkeit des GPS-Systems erhöht wird. MSAS ist vergleichbar und kompatibel zu dem europäischen EGNOS-System und dem amerikanischen WAAS-System. Es arbeitet wie diese mit Korrektursignalen, die die Fehler in den Satellitenbahnen und durch ionosphärische Störungen bedingte Fehler in Korrektursignale umrechnet und diese zu den entsprechenden GPS-

11 NAVSTAR navigation satellite timing and ranging P-Code P code RIMS ranging and integrity monitor station 11 Empfängern überträgt. Die Ermittlung der Korrektursignale erfolgt über mehrere geostationäre Satelliten und viele Empfangsstationen, den so genannten Ranging and Integrity Monitor Station (RIMS). Die Ortungsgenauigkeit des GPS-Systems wird durch das MSAS-System um etwa Faktor 10 auf einige wenige Meter erhöht. Diese Ortungsgenauigkeit wird vor allem in der Flugsicherung beim Landeanflug und schlechter Sicht benötigt, da die GPS- Genauigkeit für diese Anwendungen nicht ausreicht. Navstar ist das US-amerikanische Bezeichnung für die Konstellation des GPS- Systems. Aus der Bezeichnung geht hervor, dass die Navigationssatelliten für die Zeit und die Ortung bestimmt sind. Das Navstar-System (GPS) besteht aus 24 Satelliten, die in 6 Orbits die Erde umkreisen. Der P-Code ist der Code des GPS-Systems, der für militärische Anwendungen genutzt wird und gegenüber dem zivil genutzten C/A-Code eine um eine Zehnerpotenz höhere Auflösung aufweist. Daher auch die Bezeichnung P-Code, was für Precise steht. Der P-Code wird aus der Referenzfrequenz der Atomfrequenznormale von 10,23 MHz abgeleitet und auf beiden GPS-Frequenzen übertragen. Zur Verringerung der Störbeeinträchtigung erfolgt die Übertragung in Spreizbandtechnik mit einer Bandbreite von 20 MHz. Da der P-Code vorwiegend für militärische Anwendungen genutzt wird, wird er manipulationssicher verschlüsselt und ausschließlich als verschlüsselter Y-Code übertragen. Bei den navigationsbasierten Satelliten-Systemen mit denen die Ortungsgenauigkeit erhöht wird, dem WAAS-System der Amerikaner, dem EGNOS-System der Europäer und dem MSAS-System der Asiaten, werden mehrere geostationäre Satelliten und diverse Empfangsstationen auf dem Boden für die Berechnung der Korrektursignale benutzt. Die Empfangsstationen werden auch als Ranging and Integrity Monitor

12 RNSS radio navigation satellite service SA selective avaibility Satelliten-Navigation satellite navigation 12 Station (RIMS) bezeichnet. Um eine exakte Korrektursignalberechnung durchführen zu können, muss die Position der RIMS auf wenige Zentimeter genau bekannt sein. Egnos verwendet beispielsweise 34 RIMS, WAAS hingegen 25. Die Empfangsstationen empfangen die Navigationssignale der Navigations-Satelliten des GPS-Systems, von Glonass und Galileo. Anhand der exakten Position und dem empfangenen Ortungssignal errechnet die Empfangsstation aus der Differenz ein Korrektursignal. Darüber hinaus errechnet die Empfangsstation die aus der Signalverzögerung beider GPS-Frequenzen die Fehler durch ionosphärische Störungen. Die Korrekturdaten aller RIMS werden im zentralen Rechenzentrum zu verschiedenen Kurz- und Langzeitfehler berechnet. Radio Navigation Satellite Services (RNSS) sind Systeme und Dienste für die satellitengestützte Ortung, wie Global Positioning System (GPS), Galileo und Glonass. Für diese Ortungs- und Navigationssysteme stehen folgende Frequenzbänder zur Verfügung: für das Downlink 1,164 GHz bis 1,2215 GHz, 1,260 GHz bis 1,300 GHz und 5,010 GHz bis 5,030 GHz. Für das Uplink sind es die Frequenzbereiche 1,300 GHz bis 1,350 GHz und 5,000 GHz bis 5,010 GHz. Die höchste Genauigkeit des GPS-Systems kann nur für militärische Anwendungen genutzt werden. Mit der Selective Avaibility wird das Auflösungsvermögen für die Ortsbestimmung für die zivile Nutzung eingeschränkt. Diese bewusste Verschlechterung des Auflösungsvermögens wurde im Jahre 2000 von den Amerikanern aufgehoben. Die exakte Positionsbestimmung von mobilen oder stationären Empfangseinrichtungen wird durch die Satelliten-Navigation unterstützt. Es gibt mehrere Satelliten-Navigationssysteme wie das US-amerikanische GPS-System, das russische Glonass und das europäische Galileo, das sich in der Entwicklung befindet.

13 SBAS-System SBAS, satellite based augment system 13 Alle Satelliten-Navigationssysteme arbeiten mit erdumkreisenden Satelliten, deren Satellitenbahnen sich bei etwa km befinden. Da für die Navigation die Signale von mindestens drei Satelliten gleichzeitig empfangen werden müssen, kreisen in allen Satelliten-Navigationssystemen sechs oder mehr Satelliten in mehreren Orbitebenen. Beim GPS-System sind es beispielsweise 21 aktive Satelliten auf sechs Umlaufbahnen. Die Satelliten-Navigation schließt die Zeitbestimmung und die Bewegung des Empfängers mit ein und kann in der Luft-, Land- und Seefahrtnavigation eingesetzt werden. Das bekannteste Satelliten-Navigationssystem ist das GPS-System. Da es für die zivile Nutzung in seiner Ortsauflösung bewusst eingeschränkt ist, hat man speziell für die Flugsicherung und Flüge mit Sichtbeeinträchtigung Navigationssysteme entwickelt, mit denen die Ortsgenauigkeit aller Satelliten-Navigationssysteme um Faktor zehn erhöht werden kann. Diese System heißen SBAS-Systeme. Das für Nordamerika entwickelte System ist das WAAS-System, das europäische heißt EGNOS-System und das von asiatischen Staaten entwickelte MSAS-System. SBAS-Systeme sind satellitengestützte Navigationssysteme mit denen die Ortungsund Navigationsgenauigkeit der bekannten Navigations-Satelliten, dem GPS- System, Glonass und Galileo, erhöht wird. Es gibt drei verschiedene, allerdings untereinander kompatible Systeme das EGNOS-System der Europäer, das WAAS- System der Amerikaner und das MSAS-System der Asiaten. Alle drei Systeme verbessern die Ortungsgenauigkeit der Satelliten- Navigationssysteme um etwa Faktor zehn. Zur Erhöhung der Ortungsgenauigkeit benutzen die Systeme mehrere geostationäre Satelliten und viele exakt positionierte Empfangsstationen, RIMS, über die Fehler in den Satellitenbahnen und Störungen durch die Ionosphäre in Korrektursignale umgerechnet werden, die die Positionsbestimmung durch das GPS-System oder die anderen System verbessern. Die erhöhte Ortsgenauigkeit wird in der Luftfahrttechnik, vor allem beim Landeanflug und bei schlechter Sicht benötigt.

14 TTFF time to first fix WAAS-System WAAS, wide area augmentation system Time to First Fix (TTFF) ist die Zeit, die ein GPS-Empfänger braucht, bis er nach dem Einschalten zum ersten mal seine Position bestimmen kann. WAAS ist ein zusätzlicher satellitengestützter Navigationsdienst mit erhöhter Ortungsgenauigkeit. Die erhöhte Genauigkeit wird durch Korrektursignale von mehreren Empfangsstationen, den RIMS, und zusätzlichen geostationären Satelliten errechnet und den GPS-Empfängern, die diese Signale empfangen können, zur Verfügung gestellt. Die Korrektursignale beziehen sich im Wesentlichen auf Fehler in den Satellitenbahnen und solche, die durch ionosphärische Störungen verursacht werden. WAAS wurde von den Nordamerikanern entwickelt. Dagegen stehen die beiden anderen mit WAAS und untereinander kompatiblen Systeme der Europäer, EGNOS, und der Asiaten, MSAS. Der Empfang des WAAS-Signals ist nicht eingeschränkt; das WAAS-Signal kann auf Land, in der Luft und zu Wasser empfangen werden. Die Abdeckung ist im Gegensatz zu DGPS, das mit zusätzlichen terrestrischen Sendern arbeitet, flächendeckend. Die Ortungsgenauigkeit liegt beim WAAS-System bei 1 m bis 3 m. 14