Satellitennavigationssysteme: GPS und GALILEO – Koexistenz oder doch Konkurrenz?

1.5 Stand der Literatur

In dieser Arbeit werden nur Primärquellen verwendet. Das jeweilige Erscheinungsjahr kann dem Literaturverzeichnis entnommen werden. Das älteste Werk stammt aus dem Jahr 1999. Jedoch stellt dies kein Problem dar, da die Grundlagen des Satellitennavigationssystems GPS aus den 1990er Jahren und die Basisgrundlagen der Satellitennavigation aus den späten 1950er Jahren stammen. Aus diesem Grund ist der Stand der verwendeten Literatur als aktuell zu betrachten.

Die gängigen Werke von M. Bauer „Vermessung und Ortung mit Satelliten“, W. Mansfeld „Satellitenortung und Navigation. Grundlagen, Wirkungsweise und Anwendung globaler Satellitennavigationssysteme“, H. Dodel / D. Häupler „Satellitennavigation“ bieten Grundlageninformationen zur Satellitennavigation und detailliertere technische Informationen zum Aufbau und zur Verwendung der Systeme GPS und GALILEO. Diese Basiswerke werden unterstützt von einigen Pressemeldungen der EU, Webseiten der Systeme GPS und GALILEO der jeweiligen Regierungen und Luftfahrtbehörden. Diese Zusatzinformationen liefern Zeitpläne, aktuelle Entwicklungen und Informationen über Aufgaben der Systeme und die dafür vorgesehenen Nutzergruppen.

2 GPS

2.1 Entwicklung

Die Geschichte der Satellitenortung beginnt in den 1950er Jahren. Die Sowjetunion beförderte ihren ersten Satelliten, Sputnik, am 4. Oktober 1957 in die Erdumlaufbahn. Sputnik wurde oft als Begründer der Kommunikationssatelliten gefeiert obwohl er nur ein Rundfunksatellit war. StudentInnen und AssistentInnen der John Hopkins University in Baltimore (USA) vermaßen die Bahnperioden und versuchten die unbekannten Bahnparameter mittels Triangulation (Bahnperiode, drei Bodenstationen und Dopplereffekt – Bewegen sich der Sender und der Empfänger der Welle gegeneinander so werden die Wellen gestaucht oder gezerrt. Bei Annäherung gelangen die Signale auf höhere Frequenz, bei Auseinanderbewegung auf tiefere Frequenz zum Empfänger^[1]) zu errechnen bzw. zu simulieren. Daraufhin folgte der Umkehrschluss der John Hopkins University zur Triangulation. Es wurde ein Modell entwickelt indem mit drei Satelliten mit bekannten Bahndaten die unbekannten Koordinaten eines Punktes auf der Erde bestimmt werden können. Es wurden Transit-Satelliten gebaut und erfolgreich an die Navy der USA verkauft, welche dieses System bis in die 1990er Jahren weiterhin nutzte. Danach erfolgte die Ablöse durch das Satellitennavigationssystem GPS.^[2]

Die Satellitennavigation setzt sich aus vier Säulen zusammen. Die drei Säulen Kommunikation, Rundfunk und Ortung/Navigation liegen eng beieinander und die vierte Säule der Satellitennutzung dient der Beobachtung. Alle vier Säulen basieren auf der Informationstechnik, der Logistik und der Ortung.^[3]Kurz erklärt bedeutet das nach Dodel / Häupler:

„Der Kommunikationsteilnehmer muss geortet werden können, die Navigation basiert auf dem aktuellen Standort und dem Zielort, und die Beobachtung und Aufklärung sind nur dann nützlich wenn die beobachteten Ziele geortet sind.“^[4]

Aufgrund der Entwicklungen der UdSSR und der John Hopkins Universität waren in den frühen 1960ern die ersten Satellitennavigationssysteme, Transit der Navy der USA und ZIKADA der UdSSR-Marine im Einsatz. Die Systeme wurden damals gleicherweise trivial konzipiert. Durch die Auswertung des Dopplereffekts der an Bord von 6 Satelliten generierten und abgestrahlten Signale konnte eine beliebige Position auf der Erde bestimmt werden. Eine genaue Ortung für einen bewegten Nutzer in Echtzeit konnte so natürlich nicht verwirklicht werden. Daher wurden die Systeme weiter entwickelt und es entstand in den USA das System NAVSTAR-GPS (Navigation Satellites with Timing and Ranging - Global Positioning System). Das Verteidigungsministerium der UdSSR kopierte das System und somit entstand die sowjetische Variante GLONASS (Globalnaja nawigazionnaja sputnikowaja sistema).^[5]

Nach Bauer wurde GPS mit folgenden Zielen konzipiert und entwickelt:

„Einem GPS-Nutzer – egal ob in Ruhe oder in Bewegung – sollen extrem genaue Informationen über seine (dreidimensionale) Position, seine Geschwindigkeit sowie über die Zeit überall auf oder nahe der Erde zur Verfügung gestellt werden. Diese Informationen soll das System ständig liefern, unabhängig von Wetterbedingungen“.^[6]

In der Zeit von 1974 bis 1995 fand der Ausbau von GPS in drei Phasen statt:^[7]

- 1974 – 1979: 1. Überprüfungsphase:

- In dieser Phase wurde überprüft ob das ursprüngliche Konzept geeignet ist und das System den gewünschten Anforderungen entspricht.

- 1979 - 1985: 2. Überprüfungsphase:

- Konzentration auf die technische Entwicklung des Systems

- 1985 – 1995: Ausbauphase:

- Satellitenstarts Block I (1978 -1985):

- Erster Satellit 22.02.1978
- Bis Jahresende 1985 wurden elf weitere Satelliten gestartet.

- Satellitenstarts Block II (1989- 1990)

- Bis Jahresende 1990 wurden weitere 9 Satelliten gestartet.

- Vollausbau: Die US-Air Force gab bekannt, dass das System GPS alle Voraussetzungen für den Echtbetrieb erfüllt.

Nach 1990 wurden weitere 50 Satellitenstarts durchgeführt. Die Lebensdauer der Satelliten beträgt zwischen 12 und 167 Monaten. Nach Ablauf der Lebensdauer werden die meisten Satelliten kontrolliert zum Absturz gebracht. Die restlichen Satelliten gelten als Weltraumschrott.^[8]

Seit 2005 wird die Entwicklung des GPS unter dem Titel „GPS Modernization“ weitergeführt. Man kann daher zwischen „legacy GPS“ (Altsystem) und „modernized GPS“ (weiterentwickeltes System) unterscheiden.^[9]

2.2 Architektur & Funktionsweise

Das „Global Positioning System“ setzt sich aus den folgenden drei Segmenten zusammen welche in weiterer Folge detaillierter beschrieben werden:^[10]

- Raumsegment
- Bodensegment
- Nutzersegment

Die technische Abgrenzung ist Abbildung 1 zu entnehmen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darstellung1:Segmente von GPS^[11]

2.2.1 Raumsegment

Die nominelle GPS-Satellitenkonstellation besteht aus 21 Satelliten sowie 3 aktiven Reservesatelliten um eine kontinuierliche Ortung an jedem Punkt der Erde zu jeder Zeit zu gewährleisten. Die 24 solarbetriebenen GPS Satelliten befinden sich in einer Höhe von 20.230 km und umlaufen die Erde in einer nahezu exakt kreisförmigen Bahn. Ein Umlauf benötigt 12 Stunden und daher spricht man auch von 12-h-Bahnen. Die Satelliten senden mit zwei Hochfrequenz-Trägern die Ortungssignale und die Daten der Navigationsmitteilung aus welche von dem/der NutzerIn empfangen und ausgewertet werden.^[12]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darstellung2:Umlaufbahnen der GPS-Satelliten^[13]

2.2.2 Bodensegment (Kontrollsegment)

2.2.2.1 Aufgaben

Das Bodensegment hat primär folgende Aufgaben:^[14]

- Kontrolle des gesamten Systems
- Beobachtung der Satellitenbewegungen
- Beobachtung der Satellitenuhrzeiten
- Vorausberechnung der Ephemeriden (Bahndaten) der Satelliten und der Satellitenuhrzeit

Das Kontrollsegment besteht aus folgenden Stationen:^[15]

- 1 Hauptkontrollstation (MCS) – Colorado Springs (Colorado, USA)
- 5 Monitorstationen – Colorado Spings, Hawaii (USA), Ascension Islands (Südatlantik), Diego Garcia (Indischer Ozean), Kawajalein (Nordpazifik)
- 3 Bodensendestationen – Ascension Islands, Diego Garcia und Kwajalein

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darstellung3:Bodensegment (Kontrollsegment)^[16]

2.2.2.2 Hauptkontrollstation

Die Hauptkontrollstation ist die zentrale Informations- und Rechenstelle des GPS Systems. Sie bekommt alle Beobachtungsergebnisse der Bahndaten sämtlicher GPS Satelliten von den Monitorstationen geliefert und berechnet den Lauf der Satellitenuhren. Anhand der Ergebnisse werden die Navigationsmitteilungen (diese bestehen aus den Berechnungen der Bahndaten und der Satellitenuhrzeit) formuliert und an die Bodenstationen übermittelt, welche die Navigationsmitteilungen dann an die Satelliten senden. Die Satelliten aktualisieren damit ihre gespeicherten Navigationsmitteilungen um diese dann wieder auszusenden. Dadurch soll gewährleistet werden, dass dem/der NutzerIn eine Ortung mit höchstmöglicher Genauigkeit geboten wird.^[17]

2.2.2.3 Monitorstationen

Die Monitorstationen empfangen die Signale aller GPS-Satelliten und werten diese aus. Weiters werden die in der Berechnung der elektromagnetischen Wellen in der Tropo- und Ionosphäre entstandene Entfernungsmessfehler korrigiert. Durch die Korrekturen weisen die Endergebnisse eine sehr hohe Genauigkeit auf. Alle Monitorstationen übermitteln die Ergebnisse an die Hauptkontrollstation für weitere Berechnungen der Bahndaten.^[18]

2.2.2.4 Bodenstationen

Die Bodenstationen senden die Navigationsmitteilungen und sonstige für den Satelliten relevante Daten an die Satelliten, sofern sich diese in deren Erfassungsbereichen befinden. Die detaillierten Frequenzen werden vom US Militär aus Sicherheitsgründen nicht veröffentlicht, aber es ist bekannt, dass sie im Bereich von 2 - 4 GHz liegen. Aufgrund der weiträumigen Verteilung der Bodenstationen kommt es zu maximal drei Kontakten pro Tag zwischen Kontrollsegment und jedem einzelnen Satelliten. Alle Kontakte werden genutzt um die Navigationsmitteilungen stets aktuell zu halten.^[19]

2.2.3 Nutzersegment

Das Nutzersegment setzt sich aus einer großen Anzahl der mit GPS-Empfängern ausgestatteten Institutionen und Personen zusammen. Die GPS-Empfänger können nach Art der Verwendung von GPS-Signalen gegliedert werden:^[20]

- Navigationsempfänger (Personennavigation, Verkehr, Flugverkehr, etc.)
- Zeitempfänger (Vergleich von Zeitskalen, zeitliche Synchronisation, etc.)
- Geodätische Empfänger (Vermessungen, Detail- und Topographische Aufnahmen, etc.)
- Spezialempfänger (militärische Zwecke)

2.3 Dienste und Features

Derzeit stehen zwei Kategorien von GPS-Diensten, Standard Positioning Service (SPS-Einfrequenzdienst) und Precision Positioning Service (PPS-Zwei­frequenz­dienst) zur Verfügung. In den zwei nachfolgenden Kapiteln werden beide Systeme eingehend beschrieben.

2.3.1 Standard Positioning Service (SPS-Einfrequenzdienst)

SPS überträgt auf der für jeden nutzbaren offenen Funknavigationsdienst L1-Frequenz (1,57542 GHz). In Notfällen kann es durch die „National Comman Authority“(die höchste militärische Befehlsgewalt der USA welche sich aus dem Präsidenten und dem Verteidigungsminister der Vereinigten Staaten von Amerika zusammensetzt) zu Restriktionen kommen. Der Dienst wird voraussichtlich bis zum Jahr 2014 weiterhin auf nur einer Frequenz laufen und bis auf weiteres werden keine Gebühren eingehoben. Für die Güte und die Verfügbarkeit des Signales wird von der Regierung der Vereinigten Staaten keine Haftung übernommen obwohl die US-Regierung im Jahr 2002 für das Gebiet der Vereinigten Staaten das Service SPS zum „Primary Means of Navigation“ erklärt hat.^[21]

Bei sicherheitskritischen Programmen wie zum Beispiel bei der Flugsicherung gibt es zwei Bedingungen für die Nutzung von SPS. Einerseits darf SPS nur in Verbindung mit einem zertifizierten Integrity-Dienst wie WAAS (Wide Area Augmentation System - amerikanisches Hilfssystem zur Korrektur von Satellitennavigationssystemen) und EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service - europäisches Hilfssystem zur Korrektur von Satellitennavigationssystemen), die eine „Time to Alarm“ in Sekunden schnelle bieten und andererseits mit Navigationssystemen die beim Ausfall des SPS-Dienstes die „Continuity of Function“ der Boardnavigation gewährleisten. Die Positionsbestimmung kann mit Hilfe der Hilfssysteme fast auf 4 m, statt der von GPS garantierten 7,8 m, korrigiert werden.^[22]

2.3.2 Precision Positioning Service (PPS-Zweifrequenzdienst)

PPS überträgt auf der für jede/n NutzerIn verwendbare offenen Funknavigationsdienst L1-Frequenz (1,57542 GHz) und auf dem von den amerikanischen Streitkräften und ihren Verbündeten nutzbaren militärischen Funknavigationsdienst L2-Frequenz (1,227600 GHz). Das Zusammenspiel der beiden Dienste L1 und L2 weist Schwächen auf. Die Nutzung von PPS ist dem US-Militär vorbehalten. Die Dienste bieten ein sehr geringes Signal/Rausch-Verhältnis und dies führt zu geringer Störresistenz. Die Erhöhung der Sendeleistung von GPS ist nicht möglich da darauf geachtet werden muss, dass die Abstrahlung der anderen Frequenznutzer wie Richtfunk, Flugsicherungsradare und DME (Distance Measuring Equipment – dient der Feststellung der Entfernung zu einer Funkstelle) nicht gestört werden. Der Vorteil der Nutzung von PPS liegt darin, dass die Positionsbestimmung auf 3 m genau erfolgen kann.^[23]

Im erdgebundenen Einsatz sind beide Dienste empfindlicher gegen Signalabschottung. Die Abschottung kann durch Berge, Gebäude und Bäume herbeigeführt werden. Daher sind sie im Landverkehr nicht einsetzbar, da dort eine unterbrechungsfreie Verfügbarkeit verlangt wird. Ein weiterer Schwachpunkt der Dienste ist, die fehlende „Real-Time“-Fähigkeit. Es können dadurch keine exakten Werte für Positionen in deutlich kleineren Abständen als 20 ms geliefert werden. Diese Anforderung ist wichtig für den Einsatz von unbemannten Marschflugkörpern.^[24]

2.4 Evaluation der Technologie und der Produktlandschaft

Anhand einiger ausgewählter Beispiele soll nachstehend dargestellt werden wo und wie GPS als Satellitennavigationssystem genutzt werden kann. Bis auf militärische Zwecke wird immer das kostenlose öffentliche Signal verwendet.

2.4.1 Autonavigationssysteme

Die häufigste und weitverbreitetste Nutzung von Navigationssystemen sind Autonavigationssysteme. Die Kombination von GPS und auf Speichermedien hinterlegten Straßenkarten führen den AutofahrerInnen durch Anzeige bzw. stimmenunterstützt zu dem Ort, der vor Fahrtantritt festgelegt wurde. Die Genauigkeit leidet daran, dass es Straßenabschnitte gibt auf denen es zu Signalabschattungen kommt. Aufgrund dieser Tatsache wird bei der Autonavigation auf ein anderes Messprinzip zurückgegriffen, welches in der Lage ist während der Fahrt Messwerte zu liefern und diese einer Position auf einer gespeicherten Straßenkarte zuzuordnen. Diese Koppelnavigation wird als „Map Matching“ bezeichnet.^[25]

Es wird mittels Sensoren die gefahrene Strecke und der Bewegungsvektor des Fahrzeugs nach Größe und Richtung bestimmt. Der Tachometer liefert die zurückgelegte Strecke und die Geschwindigkeit. Magnetfeldsensoren übernehmen die Funktion eines Kompasses und zeigen die Richtung des Vektors an. Anhand dieser Extrapolationen kann das Navigationsgerät fortlaufende Berechnungen und ein ziemlich genaues Mapping durchführen. Die Mustererkennung des Richtungsverlaufs, Kurven und Geraden sowie die Kompasslenkung bei signifikanten Richtungsänderungen ermöglichen das oberhalb erwähnte „Map Matching“.

Anhand dieser Funktionsweise stellt man fest, dass Autonavigationssysteme auch ohne GPS auskommen würden, wenn auf den Speichermedien die Straßen und Wegenetze lückenlos und korrekt abgebildet sind sowie die Rechenleistung des Navigationssystems ausreichend ist um alle vorhandenen Streckenmuster miteinander zu vergleichen. Der Hauptnutzen von GPS für Autonavigationssysteme ist eben die Initialisierung, sprich die Standortbestimmung am Anfang der Reise.^[26]

[...]

^[1]Vgl. Alonso (2000) S. 549 f.

^[2]Vgl. Dodel, H. / Häupler, D. (2010) S. 2.

^[3]Vgl. Dodel, H. / Häupler, D. (2010) S. 2.

^[4]Dodel, H. / Häupler, D. (2010) S. 2.

^[5]Vgl. Dodel, H. / Häupler, D. (2010) S. 6.

^[6]Bauer (2011), S. 227.

^[7]Vgl. Bauer (2011), S. 227.

^[8]Vgl. Dodel (2004), S. 182 ff.

^[9]Vgl. National Coordination Office (2012), online.

^[10]Vgl. Mansfeld (2010), S. 109.

^[11]Vgl. Mansfeld (2010), S. 110.

^[12]Vgl. Mansfeld (2010), S. 108 ff.

^[13]Vgl. Mansfeld (2010), S. 110.

^[14]Vgl. Mansfeld (2010), S. 113.

^[15]Vgl. Mansfeld (2010), S. 113 ff.

^[16]Vgl. Mansfeld (2010), S. 115.

^[17]Vgl. Mansfeld (2010), S. 115.

^[18]Vgl. Mansfeld (2010), S. 116.

^[19]Vgl. Mansfeld (2010), S. 116.

^[20]Vgl. Mansfeld (2010), S. 117.

^[21]Vgl. Thaler (1999), S. 24.

^[22]Vgl. Thaler (1999), S. 24 f.

^[23]Vgl. Thaler (1999), S. 25.

^[24]Vgl. Thaler (1999), S. 25 f.

^[25]Vgl. Dodel, H. / Häupler, D. (2010), S. 413.

^[26]Vgl. Dodel, H. / Häupler, D. (2010), S. 414.