Assisted GPS

Assisted Global Positioning System (A-GPS, Unterstütztes Globales Positionssystem) ist ein Verfahren zur Übermittlung von Hilfsdaten über ein von GPS verschiedenes Übertragungsnetz zur schnelleren GPS-Positionsbestimmung. Über eine separate Datenverbindung, z. B. ein Mobilfunknetz, wird der Empfänger mit zusätzlichen Hilfsinformationen versorgt, wie etwa der ungefähren Position des Empfängers (ermittelt z. B. durch Mobilfunkortung).

Nachteile des herkömmlichen GPS

Die satellitengestützte Positionsbestimmung mit GPS wurde hauptsächlich dafür entwickelt, die Position eines kontinuierlich aktiven Empfängers im Freien zu ermitteln. Für häufige Unterbrechungen des Satellitenempfangs verbunden mit einem zwischenzeitlichen Ortswechsel (Flugzeuge, öffentliche Verkehrsmittel, große Gebäudekomplexe) wurde das GPS-System nicht konzipiert. Daher dauert die Neuberechnung der aktuellen geografischen Position nach solchen sprunghaften Ortswechseln recht lange. Aufgrund der hohen Genauigkeit des Verfahrens ist GPS dennoch für den Einsatz in Mobiltelefonen interessant, um dort standortbezogene Dienste (Location Based Services) anbieten zu können.

Beim herkömmlichen GPS ergeben sich folgende Probleme:

• Die Zeit, die bis zu einer ersten Positionsbestimmung vergeht, ist abhängig von der Aktualität des im Empfänger gespeicherten Almanachs, der mit dem GPS-Signal übermittelt wird und in dem die Satelliten ihre Bahndaten (Ephemeriden) auflisten. War das Gerät also längere Zeit nicht aktiv, müssen zunehmend mehr Informationen empfangen werden, bevor eine Positionsbestimmung möglich ist (nach mehr als 2–6 Std.: ca. 45 Sek.; nach mehreren Tagen oder wenn das Gerät ohne Empfang mehr als etwa 300 km bewegt wurde: bis zu 12,5 Min.).^[1]
• In städtischer Umgebung ist die freie Sicht zu den GPS-Satelliten oft stark eingeschränkt, in geschlossenen Räumen sogar unmöglich.
• Der Stromverbrauch des Satellitenempfängers ist hoch.

Funktionsweise von A-GPS

DGPS-Referenzantenne (Chokering-Antenne)

A-GPS verringert diese Probleme, indem es z. B. das GSM-Mobilfunknetz benutzt, um dem Empfänger Hilfsdaten zu übermitteln, die die Positionsbestimmung schneller zum Erfolg führen.

Lokalisation der Funkzelle

Bei Mobiltelefonen ist anhand der Funkzelle, die das Telefon bedient, der ungefähre Aufenthaltsort bereits bekannt. Dieser Ort kann durch Messungen der Signallaufzeiten von den anderen in der Nähe befindlichen Mobilfunkmasten weiter präzisiert werden. Der Empfang von mindestens drei Basisstationen ist erforderlich, um den Standort auf diese Weise eindeutig ausrechnen zu können. Die Höheninformation kann bei diesem Verfahren auch mit drei Basisstationen nicht bestimmt werden. Die Ortsangaben der eingebuchten (in den meisten Fällen also der nächsten) Funkzelle verwendet auch Google Maps for Mobile in seiner Funktion „MyLocation“.

Die so grob ermittelte Position kann verwendet werden, um den Suchbereich für die Satellitensignale (Identität der momentan sichtbaren Satelliten, ungefähre Laufzeit, Dopplerverschiebung) einzuschränken und somit die Verarbeitung der Messung zu beschleunigen.

Almanach-Aktualisierung

Beim konventionellen GPS hat der Empfänger zwei Aufgaben. Er misst die Laufzeit der Signale und er liest die von den Satelliten gesendeten Daten, die u. a. Bahnparameter und Fehlerkorrekturen enthalten (Almanach). Beim A-GPS wird der Almanach von Referenzempfängern gelesen, die stationär an Orten mit guter Sicht zum Himmel aufgestellt sind und deren exakte Positionsdaten bereits vermessen wurden. Der mobile Empfänger muss den Almanach dann nicht mehr langwierig über das Satellitensignal aktualisieren sondern nur die Ankunftszeiten der Satellitensignale messen, wozu ein um bis zu 30 dB geringerer Pegel ausreicht. Zusätzlich können erweiterte Fehlerkorrekturen nach dem Prinzip von Differential-GPS übertragen werden.

Varianten

In Abhängigkeit vom Ort, an dem die eigentliche Berechnung der Position stattfindet, unterscheidet man den netzwerkbasierten und den terminalbasierten Modus. Bei netzwerkbasiertem A-GPS sendet das Terminal (also z. B. das Mobiltelefon) die gemessenen Signallaufzeiten der jeweiligen Satellitensignale (also letztlich die Entfernungen) und ein Server im Mobilfunk-Netz berechnet daraus die genaue Position, die schließlich zurück an das Terminal oder eine Anwendung übermittelt wird. Die Hilfsdaten bestehen in diesem Falle nur aus den Suchraumparametern. Beim terminalbasierten Modus erhält das Terminal lediglich die Satelliten- und Hilfs-Daten und berechnet seine Position nach der Messung selbst.

Für A-GPS sind verschiedene Signalisierungen von 3GPP und OMA standardisiert worden; ein verbreitetes Verfahren ist z. B. SUPL (Secure User Plane).

Ist gerade kein Kontakt zu GPS-Satelliten möglich oder gar kein GPS-Empfänger eingebaut, so können auch allein die Signallaufzeiten der Mobilfunktürme zur Positionsberechnung verwendet werden. Die Positionsbestimmung ist dann allerdings meist relativ ungenau. Diese Variante der Positionsberechnung fällt jedoch eigentlich nicht unter die Bezeichnung A-GPS, da hierbei kein GPS-Signal verwendet wird.

Andererseits ist auch eine Implementierung von A-GPS völlig ohne Unterstützung des Netzbetreibers denkbar; schon die Übermittlung des Almanachs über einen schnelleren und robusteren Kanal als die GPS-Signale führt in vielen Fällen zu einer erheblich beschleunigten Positionsbestimmung. Dieses Verfahren wird unter anderem von einigen KFZ-Navigationsgeräten unterstützt; die Daten werden dabei vom Benutzer aus dem Internet heruntergeladen und auf das Gerät überspielt.

Unterstützung

A-GPS braucht die Unterstützung der GSM-Netzbetreiber, um optimal zu funktionieren. Die Netzelemente können dabei in verschiedenem Umfang Assistenzinformationen für die einzelnen Handys bereitstellen (via „Service Mobile Location Center“). Zusätzlich wird die Unterstützung in den Mobiltelefonen gebraucht, die neben einem GPS-Ortungschip auch die Assistenzinformationen auswerten können. Im Rahmen des Enhanced-911-Programms in den USA mussten alle Anbieter von drahtlosen Diensten ihre Infrastruktur so umrüsten, dass seit Ende 2005 alle von Mobiltelefonen aus getätigten Notrufe genau lokalisiert werden können – in dieser zweiten Phase erfolgte es meist mit Triangulation, dessen Ergebnisse auch dem Handy zu Verfügung stehen. In Japan geht man einen Schritt weiter – dort müssen alle nach April 2007 verkauften Mobiltelefone der dritten Generation über die A-GPS-Funktionalität für Notrufe verfügen, die die Assistenzinformationen des Netzes auswerten können.^[2] Eine ähnliche Verordnung wird in der EU für das Jahr 2010 erwartet, wenn das europäische Galileo-Satellitensystem zur Positions-Bestimmung in den Wirkbetrieb geht. Durch den Markterfolg von Navigationsgeräten und die technische Fortentwicklung durch die Netzausrüster werden bis dahin voraussichtlich alle Handymodelle mit A-GPS ausgestattet sein. Derweil testet Siemens zu Ende 2006 eine Lösung, bei der die Aufrüstung der bestehenden GSM-Netze mit Assistenzinformationen für A-GPS allein durch ein Softwareupdate bestehender Netzelemente erfolgen kann.

Kritik

Für A-GPS können Nutzungsgebühren anfallen (meistens in Form von Verbindungsentgelten des Providers). Alternativ reicht manchmal auch ein empfindlicherer GPS-Empfänger, wie z. B. eine externe GPS-Maus aus, um selbst in Gebäuden oder bei schlechtem Wetter zuverlässig und schnell die Position zu bestimmen.

Referenzen

1. ↑ kowoama: Der Aufbau des GPS-Signals, 16. September 2008
2. ↑ „A-GPS soll Navigations- und Ortungsdienste erleichtern“, Marie-Anne Winter, Teltarif.de, 18. März 2005