Global Positioning System (GPS)

Global Positioning System (GPS) Fachseminar WS09/10 HOCHSCHULE RHEINMAIN 25 Februar 2010 Alexander Stolz 258673

Global Positioning System (GPS) Fachseminar WS09/10 Inhaltsverzeichnis 1. ABSTRACT... 2 2. GRUNDLAGEN... 3 2.1. EINFÜHRUNG... 3 2.2. GESCHICHTE:... 3 2.3. GPS SERVICES... 4 2.3.1. STANDARD POSITIONING SERVICE... 4 2.3.2. PRECISE POSITIONING SERVICE... 4 3. SEGMENTE DES GPS-SYSTEMS:... 5 3.1. WELTRAUMSEGMENT:... 5 3.2. KONTROLLSEGMENT:... 5 3.3. NUTZERSEGMENT:... 6 4. WIE FUNKTIONIERT DAS GLOBAL POSITIONING SYSTEM:... 7 5. PROBLEME:... 8 5.1. SELECTIVE AVAILABILITY:... 8 5.2. FEHLERQUELLEN:... 9 5.3. SATELLITENGEOMETRIE:... 10 6. ERWEITERUNGEN DES SYSTEMS:... 11 6.1. DGPS:... 11 6.2. SBAS:... 11 7. QUELLEN:... 13 1

1. Abstract The Global Positioning System (GPS) is a U.S. satellite-based navigation system. It made up of a network satellites placed into orbit by the U.S. Department of Defense and provides reliable positioning, navigation, and timing services to worldwide users on a continuous anywhere on or near the Earth which has an unobstructed view of four or more GPS satellites. GPS was originally intended for military applications, but in the 1980s, the U.S. government made the system available for civilian use after a plane got off course and was shot down by the USSR. GPS works in any weather conditions, anywhere in the world, 24 hours a day. There are no subscription fees or setup charges to use GPS. GPS is made up of three segments: Space, Control and User. The Space Segment is composed of 24+ satellites in 20200 kilometers height. The Control Segment is composed of a Master Control Station and a host of dedicated and shared Ground Antennas and Monitor Stations. The User Segment is composed of allied military users of the secure GPS Precise Positioning Service, and of civil, commercial and scientific users of the Standard Positioning Service. GPS satellites broadcast signals from space that GPS receivers use to provide threedimensional location (latitude, longitude, and altitude) plus precise time. GPS finds its uses in a wide area of fields. It is the main tool for worldwide navigation and extends its usefulness as tool for map-making, land surveying, commerce, scientific uses, tracking and surveillance, and hobbies such as geocaching and way marking. GPS is also build on to provide different applications with the precise time reference that is needed, examples include the study of earthquakes or cellular network protocols. This report is trying to provide a useful insight into the GPS system. It explains the different parts of the system and provides the theoretical background which is needed to get a grasp on this technology. 2

2. Grundlagen 2.1. Einführung Das Global Positioning System (GPS), mit der offiziellen Bezeichnung Navigational Satellite Timing and Ranging - Global Positioning System (NAVSTAR GPS), ist ein terrestrisches globales Navigationssatellitensystem zur Positionsbestimmung und Zeitmessung. 2.2. Geschichte: Es wurde seit den 1970er-Jahren vom US-Verteidigungsministerium entwickelt und löste ab etwa 1985 das alte Satellitennavigationssystem NNSS(Transit) der US-Marine ab, ebenso die Vela-Satelliten zur Ortung von Atombombenexplosionen. GPS ist seit Mitte der 1990er- Jahre voll funktionsfähig. Die nachfolgende Abbildung zeigt einen detaillierten Zeitplan der GPS-Entwicklung: 3

2.3. GPS Services Das GPS bietet zwei Services an, das SPS und das PPS, diese werden Nachfolgend erklärt. 2.3.1. Standard Positioning Service Der Standard Positioning Service(SPS) ist für die Öffentlichkeit verfügbar und erreichte ursprünglich eine Genauigkeit von 100 m. Im Mai 2000 wurde die künstliche Ungenauigkeit vom US-Militär abgeschaltet; danach betrug die Genauigkeit ca. 15 m horizontal. Das Signal ist nicht verschlüsselt. 2.3.2. Precise Positioning Service Der Precise Positioning Service(PPS) ist für militärische Zwecke bestimmt und nicht für die Öffentlichkeit zugänglich. Das Signal ist verschlüsselt und die Genauigkeit als Geheim Klassifiziert, das heißt unbekannt. 4

3. Segmente des GPS-Systems: Das GPS System kann in drei Segmente aufgeteilt werden, das Weltraumsegment, das Kontrollsegment und das Nutzersegment. Diese Segmente werden nachfolgend erläutert. 3.1. Weltraumsegment: Das Weltraumsegment setzt sich aus den Satelliten im Orbit zusammen. Zurzeit befinden sich 30 funktionsfähige Satelliten im Orbit. Für eine vollständige Abdeckung der Erde sind 24 Satelliten Notwendig, die auf 6 Orbits um die Erde kreisen. Die Satelliten befinden sich in 20200 Kilometern Höhe und haben eine Umlaufzeit von Stunden. Sie sind für eine Laufzeit von zehn Jahren ausgelegt und wiegen ca. eine Tonne. Ein Satellit hat eine Flügelspannweite von fünf Metern. Die Flügel sind Solarkollektoren die die Satelliten mit Energie versorgen, als Ausweichmöglichkeit hat ein Satellit darüber hinaus drei Nickel-Cadmium Batterien an Bord, falls kein Sichtkontakt zur Sonne besteht. Zur Zeitmessung hat jeder Satellit bis zu vier Atomuhren an Bord. 3.2. Kontrollsegment: Das Kontrollsegment besteht aus einer Masterstation, fünf Monitorstationen und vier Bodenantennen. Die Master-Station engl. Master Control Station (MCS) befindet sich am US Air Force Space Command Center in der Schriever Air Force Base in Colorado Springs, Colorado. Die ist für die Satellitenkontrolle und den Steuerung des gesamten Systems zuständig. 5

Die Monitor-Stationen erhalten die GPS-Daten der Satelliten und leiten diese an die Master- Station weiter. Die Bodenantennen werden von der Master-Station ferngesteuert, diese senden Daten an die Satelliten in ihrem Sichtfeld. Darüber hinaus sammeln sie aber auch Telemetriedaten der Satelliten. 3.3. Nutzersegment: Dem Nutzersegment gehören alle Geräte an, die GPS-Signale nutzen. Die Anwendungen des GPS sind vielfältig, es wird es vom Militär aber auch im zivilen Bereich verwendet. Einige Anwendungen sind Suche und Rettung, Wasser, Luft und Boden Navigation, Fernsteuerung von unbemannten Fahrzeugen, Positionierung und Verfolgung und viele weitere. 6

4. Wie funktioniert das Global Positioning System: Um eine Position auf der Erde zu bestimmen, wird der Abstand des Nutzergerätes zu mehreren GPS-Satelliten durch Laufzeitmessung eines Radiosignals ermittelt und daraus die Lage des Messortes zu den Satelliten errechnet. Das Prinzip der Laufzeitmessung ist nur möglich weil die Geschwindigkeit von Wellen(Radio, Licht) im Raum theoretisch konstant ist. Wenn ein Signal den Satelliten zum Zeitpunkt T verläßt und das Signal beim Empfänger zum Zeitpunkt T+3 ankommt, dann ist die Distanz zwischen Sender und Empfänger dreimal die Lichtgeschwindigkeit (den Zeitfehler ausgenommen). Eine einfache Betrachtung von Positionsbestimmung für einen Raum mit einer Dimension ist in der nachfolgenden Abbildung zu sehen. Hier soll die Position des Autos bestimmt werden. Das Problem welches sich hierbei ergibt ist der Zeitfehler. Die Uhren im Zeitsender und im Auto sind nicht miteinander synchronisiert, das heißt dass jede Mikrosekunde Zeitfehler einen Positionsfehler von 300 Metern verursacht. Klar 1µs*Lichtgeschwindigkeit ergibt 300m. Wir bekommen statt unserer Distanz nur eine Pseudodistanz mit einem unbekannten Fehler. Um das Problem zu lösen ist ein weiterer Zeitsender Notwendig(folgender Abbildung): 7

Durch den zweiten Zeitsender lässt sich eine Gleichung ausstellen mit der die Unbekannte, der Zeitfehler, gelöst werden kann. Man erhält die echte Distanz. Bei einer 3D-Satellitenpositionierung hat man vier unbekannte die 3D Koordinaten x,y,z und den Zeitfehler. So sind 4 Zeitsender bzw. Satelliten Notwendig um die Gleichung zu Lösen. 5. Probleme: 5.1. Selective Availability: Das Defense Department hat Fehler in die gesendete Satellitenzeit eingebaut (sog. Dithering), welches die Genauigkeit einer Positionsbestimmung stark reduziert hat. Die Genauigkeit lag dann bei 100 Metern oder schlechter. Selective Availability wurde eingebaut um die Feinde der USA daran zu hindern GPS gegen sie zu benutzen. Im Mai 2000 wurde der Fehler auf null Meter reduziert. 8

Selective Availability ist den aktuellen Satteliten noch integriert das heißt es könnte in jedem Moment wieder aktiviert werden. Die neuste Satellitengeneration III hat nicht die Selective Availability Fähigkeit. Das Militär hat darauf verzichtet weil es andere Möglichkeiten gibt GPS Signale zu stören, zum Beispiel durch lokale Störsender. 5.2. Fehlerquellen: Die Qualität des GPS Signal unterliegt äußeren Einflüssen, die sich negativ auf die Genauigkeit der Positionsbestimmung auswirken können. Die wichtigsten Fehlerquellen werden im Folgenden aufgezeigt(die Angaben beziehen sich auf den Stadard Positioning Service): Satelliten Uhr: Satelliten Umlaufbahn: Fehler in der an Bord eines Satelliten befindlichen Atomuhr können zu einem Fehler von 1.5 bis 3.6 Metern führen. Um diesen Fehler möglichst klein zu halten werden die Uhren durch die Bodenstationen korrigiert. Durch das Flugverhalten der Satelliten die nicht immer hundertprozentig auf ihrer genauen Umlaufbahn bleiben können, wird eine Fehler von weniger als einem Meter verursachen. Minimale Änderungen der Flugbahn werden durch Radaranlagen am Boden aufgezeichnet und die Daten zur Positionsbestimmung werden korrigiert. Ionosphäre: Die Ionosphäre ist eine Luftschicht die sich in 50 bis 500 Kilometern Höhe befindet. Diese Luftschicht besteht aus ionisierter Luft die Radiosignale wie der GPS Satelliten erheblich stören kann. Auch mit verschiedenen Korrekturmethoden ist mit einem Fehler von Fünf bis Sieben Metern zu rechnen. Troposphäre: Die Troposphäre befindet sich unter 13 Kilometern Höhe und Unterliegt Schwankungen der Temperatur, Luftfeuchtigkeit und dem Luftdruck. Diese Faktoren können einen Fehler von 0.5 bis 0.7 Meter verursachen. Empfänger Rauschen: Multipath: Messfehler, die auf dem thermischen Rauschen und den Nichlinearitäten der elektronischen Komponenten des GPS- Empfängers resultieren, werden Empfängerrauschen genannt. Bei den heutzutage Verfügbaren Empfängern liegt die Abweichung durch diesen Fehler bei ca. 0.3 bis 1.5 Metern. Ein Satellitensignal kann die Antenne des GPS-Empfängers nicht nur auf direktem Wege erreichen, sondern auch nachdem es an Gebäuden, der Erdoberfläche, Fahrzeugteilen oder Ähnlichem 9

reflektiert wurde. Multipath Fehler führen zu einer Ungenauigkeit von ca. 0.6 bis 1.2 Metern. Selective Availability: Wie im letzten Abschnitt erwähnt ist der Fehler bei eingeschalteter Selective Availability bei über 100 Metern. Die genannten Fehler summieren sich auf und ergeben die gesamte Ungenauigkeit bei der Positionsbestimmung. 5.3. Satellitengeometrie: Ein weiterer Faktor, der die Genauigkeit der Positionsbestimmung beeinflusst ist die "Satellitengeometrie". Einfach gesagt bezieht sich "Satellitengeometrie" auf die vom Empfänger aus gesehene Stellung der gerade empfangenen Satelliten zueinander im Raum. Wenn ein Empfänger beispielsweise gerade vier Satelliten empfängt und alle vier Satelliten sind beispielsweise nur im Nordwesten, so ergibt sich daraus eine "schlechte Geometrie". Unter Umständen kommt überhaupt keine Positionsbestimmung zustande denn wenn alle Entfernungsmessungen aus der gleichen Richtung erfolgen, kann keine Position bestimmt werden. Selbst wenn der Empfänger eine Positionsbestimmung durchführen kann, so kann der Fehler ohne weiteres im Bereich von 100 bis 150 Metern liegen. Sind hingegen die vier empfangenen Satelliten möglichst gut über den gesamten Himmel verteilt, so wird die Positionsbestimmung wesentlich genauer. Angenommen die Satelliten befinden sich im Norden, Osten, Süden und Westen, sind also in 90 Abständen angeordnet, so ist die "Satellitengeometrie" sehr gut, da die Entfernungsmessungen in allen Richtungen gemacht werden. Dilution of Precision (DOP) spiegelt die Positionen eines Satelliten relativ zu der eines anderen wieder. Es wird zwischen verschiedenen DOP Werten unterschieden: GDOP: Geometric Dilution of Precision (3D Positionsfehler und Zeit d.h. VDOP, HDOP und TDOP) VDOP: Vertical Dilution of Precision (Schlechte Höhenmessung am Boden) HDOP: Horizontal Dilution of Precision (Schlechte horizontale Messungen am Boden) TDOP: Time Dilution of Precision (Anomalien in der Zeitmessung) PDOP: Position Dilution of Precision (3D Positionsfehler d.h. VDOP und HDOP) Position Dilution of Precision (PDOP) wird am häufigsten zur Qualitätsmessung der Position eines Empfängers benutzt verwendet. GPS Empfänger suchen sich meistens selbst die Satelliten aus die am besten geeignet sind. Fortgeschrittene GPS Empfänger können schlechte DOP Werte rausfiltern. 10

6. Erweiterungen des Systems: 6.1. DGPS: Beim Differential Global Positioning System(DGPS) werden ortsfeste GPS-Empfänger benutzt, so genannte Referenzstationen. Deren GPS-Daten werden zur Korrektur der GPS- Daten die die mobilen Geräte empfangen verwendet. Die Korrektur kann online (über Internet, UKW, Langwelle oder GSM) oder im Postprocessing erfolgen. Durch DGPS werden vorwiegend Einflüsse der Ionosphäre und Troposphäre gefiltert. Ein Beispiel für ein DGPS System ist das National Differential Global Positioning System (NDGPS) der U.S. Küstenwache. In der Nachfolgenden Abbildung sind die Referezstationen mit Ihren Einflussbereichen sichbar. 6.2. SBAS: Eine weitere Erweiterung ist der GPS sind Satellite Based Augmentation Systeme (SBAS). Diese funktionieren ähnlich zum DGPS nutzen zur Datenkorrektur jedoch nicht am Boden stehender Referenzstationen sondern geostationäre Satelliten. Weltweit gibt es vier bekannte System die SBAS einsetzen: 11

WAAS: EGNOS: GAGAN: MSAS: Das Wide Area Augmentation System(WAAS) wird derzeit von zwei bis vier geostationären Satelliten über dem Gebiet der USA ausgesendet und ist für alle anderen Erdregionen nicht erreichbar. Das European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) steigert lokal begrenzt auf Europa die Positionsgenauigkeit der Systeme GPS, GLONASS und nach dessen Inbetriebnahme 2013 auch Galileo von 10 bis 20 Meter auf 1 bis 3 Meter und ist zu den amerikanischen und japanischen Systemen WAAS und MSAS funktionell und protokollmäßig voll kompatibel. Das GPS Aided Geo Augmented Navigation (GAGAN) ist ein indisches Satellitennavigationssystem. Voraussichtlich 2009 soll der geostationäre Satelliten GSAT-4 mit einer GSLV starten und die erste GAGAN-eigene Nutzlast in den Orbit bringen. Ab 2010 soll das System seinen regulären Dienst aufnehmen. Das Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS) ist das japanisches SBAS. Es befindet sich seit dem 27. September 2007 im operationellen Betrieb. 12

7. Quellen: Global Positioning System http://en.wikipedia.org/wiki/global_positioning_system Field Methods in Geospatial Science http://www.eomf.ou.edu/media/docs/education/fieldmethod/lecture_fieldmethods. pptx Grundlagen der Satellitennavigation http://www.euresearch.ch/fileadmin/documents/events2009/satellitennavigation.p df Differential-GPS http://de.wikipedia.org/wiki/differential-gps Integrierte Navigationssysteme: Sensordatenfusion, GPS und inertiale Navigation, Jan Wendel Script: Global Positioning System(GPS) K.O. Linn SBAS http://de.wikipedia.org/wiki/european_geostationary_navigation_overlay_service http://de.wikipedia.org/wiki/wide_area_augmentation_system http://de.wikipedia.org/wiki/msas http://de.wikipedia.org/wiki/gps_aided_geo_augmented_navigation 13