Differential GPS

DGPS-Referenzantenne (Chokering-Antenne)

Differential Global Positioning System (DGPS, „Globales Positionssystem (mit) Differential(signal)“) ist eine Bezeichnung für Verfahren, die durch das Ausstrahlen von Korrekturdaten (Bahn- und Zeitsystem) die Genauigkeit der GPS-Navigation steigern können.

Funktionsprinzip

Referenzstation

Beim DGPS wird eine Referenzstation benutzt, die das Signal der GPS-Satelliten empfängt. Da die geografische Position der Referenzstation mit sehr hoher Genauigkeit bekannt ist, kann der Fehler der momentanen GPS-Ortsbestimmung festgestellt werden. Das heißt die Station kann die eigentlich zu benötigende Zeit des Satellitensignals bis zum Erreichen der Referenzstation mit der nun tatsächlich verbrauchten Zeit vergleichen und somit die Differenz berechnen, das nun als Korrektursignal verwendet werden kann. Der gemessene Entfernungsfehler zum Satelliten und dessen zeitliche Änderung wird für jeden empfangenen GPS-Satelliten bestimmt und durch die Referenzstation mittels Funk an alle DGPS-Empfänger der Region übermittelt.

DGPS-Empfänger

Jeder einzelne DGPS-Empfänger dekodiert die GPS-Satellitensignale und zusätzlich die Korrektursignale der Referenzstation. Mit letzteren kann der DGPS-Empfänger die kleinen Fehler der GPS-Signale korrigieren und so eine sehr viel bessere Positionsbestimmung durchführen. Die für die Korrektursignale notwendige Empfangsantenne ist oft schon in die GPS-Antennen integriert. Fällt die (Funk-)Verbindung zur DGPS-Sendeanlage aus, schaltet der Empfänger in den normalen GPS-Modus ohne Korrektur um, verliert aber dann den Genauigkeitsvorteil. Die erreichbare Genauigkeit liegt je nach Qualität des Empfängers und der Korrekturdaten zwischen 0,3 m und 2,5 m für die Lage (x, y) und bei 0,2 m bis 5 m für die Höhe. Hochqualitative Systeme werten zusätzlich die Trägerphase aus (wie z. B. bei geodätischen Empfängern üblich) und erreichen Genauigkeiten von wenigen Millimetern (± 1 mm bis ± 10 mm pro km Abstand zur Referenzanlage).

Verbreitung der Korrektursignale

Funk

Die Korrektursignale werden üblicherweise über Funk oder für spezielle Anwendungen über andere Datenübertragungswege an die DGPS-Empfänger übermittelt. Da sich die Fehler der einzelnen GPS-Satelliten nur langsam ändern, ist diese Übertragung nicht zeitkritisch. Für einfache DGPS-Korrektur reicht eine Korrektur alle drei Sekunden aus, für hochgenaue DGPS-Korrektur sind sehr viel höhere Raten im Bereich von 0,1 Sekunden nötig.

Neben den regionalen DGPS-Korrekturdaten, die jeweils von einer einzelnen Referenzstation abgeleitet und ausgesendet werden, gibt es auch Korrekturdaten für große Gebiete, die über geostationäre Satelliten verbreitet werden (SBAS). Diese Daten werden aus den Empfangsdaten in einem Netz von Referenzstationen abgeleitet und für kontinentweite Verbreitung über geostationäre Satelliten gesendet. In Europa heißt dieses satellitengestützte DGPS-System EGNOS, in Amerika WAAS und in Japan MSAS. Moderne SiRF-III-Chips für Autonavigationssysteme unterstützen WAAS und EGNOS.

Bodenbasierte Systeme (GBAS) werden in der Bundesrepublik Deutschland im Rahmen des Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermessung SAPOS betrieben. Weiterer Betreiber von Referenzstationen ist z. B. die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV). Deren Stationen arbeiten nach dem internationalen IALA-Standard und senden Korrekturdaten auf Mittelwelle für den Küsten- und Binnenbereich aus. Zentrale technische Behörde ist die Fachstelle der WSV für Verkehrstechniken in Koblenz.

Folgende Referenzstationen können bzw. konnten in Deutschland genutzt werden:

• Einfache Korrektursender (alle drei Sekunden)
  • Deutschlandfunk Sender Donebach (Langwelle 153 kHz, die Übertragung erfolgt nach dem AMDS-Verfahren parallel zum Rundfunkprogramm)
  • Bodenseesender (Mittelwelle: Sendefrequenz 666 kHz, die Übertragung erfolgt nach dem AMDS-Verfahren parallel zum Rundfunkprogramm)
  • DCF42 (Langwelle, dedizierter DGPS-Sender mit AMDS-Verfahren, Senderstandort: Mainflingen neben dem Zeitsender DCF77)
  • DGPS-Stationen der WSV (Standard der International Association of Lighthouse Authorities, IALA) für See: Helgoland (intl. „Düne“)/Groß-Mohrdorf (intl. „Wustrow“), für Binnengewässer: Zeven/Bad Abbach/Iffezheim/Mauken/Koblenz
  • Europäische Sendestationen des Funknavigationssystems LORAN-C senden zusammen mit dem LORAN-C-Signal differenzielle Korrekturen zum GPS aus. Dieser als Eurofix bezeichnete Dienst soll im gesamten Sendebereich des Northwest European LORAN-C System (NELS) verfügbar sein und sendet ungefähr alle zwei Sekunden. Die Datenrate des neuen Standards eLORAN ist ähnlich, jedoch ist dieses Verfahren nach NfL II-97/98 (Nachrichten für Luftfahrer) bisher noch nicht zugelassen. Beide Verfahren werden hauptsächlich im maritimen Bereich eingesetzt.
  • Seit 28. Dezember 2008 ausser Betrieb: DRS Beromünster (Schweiz) (Mittelwelle: Sendefrequenz 531 kHz, die Übertragung erfolgt (erfolgte) nach dem AMDS-Verfahren parallel zum Rundfunkprogramm)

Internet

DGPS-Daten können, wie jedes andere Echtzeit-Datenformat, mit verschiedensten Methoden über das Internet zur Verfügung gestellt werden. Das Ntrip-Protokoll bietet ein von der RTCM standardisiertes Verfahren zur Übertragung von DGPS- und anderen Navigationsdaten. Da Navigation meist außerhalb kabelgebundener Internetanschlüsse geschieht, ist hier eine Verbreitung über WLAN, UMTS und insbesondere GPRS/GSM gemeint.

Weitere Information für Zuverlässigkeit

Auf Funk basierende Systeme sind prinzipbedingt nicht sicher und können durch Funkstörungen ausfallen. Bei GPS gibt es neben den natürlichen Funkproblemen noch die nicht auszuschließende Möglichkeit einer unangekündigten Verschlüsselung oder absichtliche Fehler der GPS-Signale durch den jeweiligen Betreiber, wie es lange Zeit beim amerikanischen GPS-System üblich war. Um trotzdem sicherheitsrelevante Anwendungen wie die Navigation von Flugzeugen zu ermöglichen, können neben den Korrektursignalen auch Signale über die aktuelle GPS-Güte von der Referenzstation an die DGPS-Empfänger übertragen werden. Kann der DGPS-Empfänger also die GPS-Signale empfangen, das Korrektursignal von der Referenzstation und zusätzlich die darin enthaltene Information, dass die GPS-Satelliten unverfälschte Signale aussenden, kann er von einer zuverlässigen Positionsmessung ausgehen. Ist eine dieser Bedingungen nicht erfüllt, dürfen die Positionsdaten nicht für sicherheitsrelevante Anwendungen herangezogen werden; in diesem Fall muss beispielsweise ein Flugzeugführer GPS-basierte Navigationssysteme und automatische Start- und Landesysteme abschalten und durch andere Methoden ersetzen.

Anwendung

Das Verfahren wird zum Beispiel beim Militär, der Schifffahrt, oder großflächig zur Vermessung in der Geodäsie angewendet. Viele GPS-Empfänger für den Endanwender haben bereits in der untersten Preisklasse DGPS implementiert (schnelles Sendesignal?).

Luftfahrt

Seit 1998 ist Streckennavigation im Flugverkehr mittels GPS in Deutschland erlaubt. Dazu müssen die zugelassenen Geräte eine Zuverlässigkeitsprüfung der Daten durchführen (RAIM), die den Empfang von mindestens fünf Satelliten benötigt. Moderne Empfänger außerhalb der Luftfahrt haben heute 12 und mehr Empfangskanäle.

Nichtpräzisionslandeanflüge können ausschließlich mit GPS absolviert werden. Es darf jedoch nur die horizontale Information verwertet werden, für eine Präzisionslandung ist die Höhenmessung nicht genau genug für die Führung auf dem Gleitweg. Bodengestützte Navigationshilfen sind hierfür nicht nötig.

Mithilfe des SBAS namens EGNOS sollen Präzisionsanflüge bis zur Kategorie I möglich werden, bei einer Signalauffrischung alle 500 ms. Bei höheren Anforderungen oder schwierigen Empfangsbedingungen sollen bodenbasierte Systeme, wie SAPOS, eingesetzt werden. Der Hochpräzise (jedoch kostenpflichtige) Echtzeit-Positionierungs-Service (HEPS) dieses Systems liefert beispielsweise eine horizontale Lagegenauigkeit von 1 - 2 cm und eine Höhengenauigkeit von 2 - 3 cm.

Winkelmessung

GPS-basierte Verfahren zur Winkelmessung beruhen auf demselben technischen Messprinzip, das aber vollkommen anders umgesetzt ist: Auf einem Fahrzeug werden zwei Antennen mit bekanntem Abstand zueinander montiert, deren Empfangssignale miteinander verglichen werden. Es wird also kein Referenzsignal von einer ortsfesten Referenzanlage zur Korrektur herangezogen. Auch bei den Verfahren zur Winkelmessung werden nicht die kartesischen Koordinaten der Antennen miteinander verglichen, sondern die Phasenverschiebung der Satellitensignale ausgewertet. Aus Antennenabstand und Phasenverschiebung kann dann sehr genau der Winkel der Antennen-Verbindungsachse zum Satelliten und damit auch gegen die Nordrichtung bestimmt werden. Messgenauigkeiten von 0,01° bis 0,1° lassen sich erzielen.

Die absolute Positionsgenauigkeit dieser Geräte ist nicht besser als die normaler GPS-Geräte oder – falls zusätzlich ein Korrektur-Signal einer ortsfesten Referenzanlage vorliegt – nicht besser als die anderer DGPS-Geräte.

Geräte dieser Bauart werden gelegentlich als elektronischer Kompass oder GPS-Kompass bezeichnet. Sie sind – entsprechend ihren hohen Kosten – wenig verbreitet, verwendet werden sie beispielsweise zur Lagemessung von Schiffen oder Baumaschinen.

Siehe auch

• Globales Navigationssatellitensystem
• Differential-Omega (Außer Betrieb seit 30. September 1997)

Weblinks

• Fachstelle der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung für Verkehrstechniken Technische Informationen zu GPS/DGPS in der Schifffahrt
• Deutsche Flugsicherung (D)GPS in Luftfahrzeugen
• Essentials of Satellite Navigation
• kostenlose D-GPS-Signale von dgpsonline