GPS-Empfänger

GPS-Empfänger sind Geräte, die Positionssignale des US-amerikanischen Satellitensystems NAVSTAR GPS (kurz: GPS) empfangen und auswerten. Da GPS zurzeit (2010) das ausgereifteste System ist, sind Empfänger für andere Navigationssatellitensysteme fast immer Multisysteme, die auch die Ortung über GPS ermöglichen. Werden GPS-Empfänger mit einer elektronischen Karte kombiniert, spricht man von einem GPS-Navigationssystem.

Ein GPS-Empfänger

Empfängerklassen

Bis in die 1990er-Jahre unterschied man nur zwischen Navigationsempfängern (Handheld bzw. fest montierte Geräte) und Präzisionsempfängern. Heute klassifiziert man die Geräte je nach praktischer Anforderung, Auswertung und Bereitstellung der Daten:

Chipsatz (engl. Chipset)

In preiswerten GPS-Empfängern übernehmen integrierte GPS-Chips die Signalverarbeitung. Beispiele sind SiRF Star III von SiRF mit einer Empfindlichkeit von –186 dBm und 51 Kanälen oder MTK II/ MTK3329 / EB230 von MediaTek mit –192 dBm und 66 Kanälen.

GPS-Maus

GPS-Mäuse liefern fortlaufend Positionsdaten und übertragen sie beispielsweise über eine serielle RS-232 Schnittstelle oder eine Bluetooth-Verbindung an einen externen Rechner zur weiteren Verarbeitung.

Logger

Logger bestimmen, wie eine GPS-Maus, fortlaufend Positionsdaten, speichern sie aber intern. Die Track logs werden nach der Aufzeichnung über eine Rechnerschnittstelle ausgelesen.

Navigationsgerät (GPS-Empfänger)

Zusätzlich zu einem Logger verfügen einfache Navigationsgeräte über ein Display. Auf ihm stellt das Gerät Positionsdaten dar, sowohl die aufgezeichneten als auch manuell eingegebene Wegpunkte.

Navigationssystem

Ein Navigationssystem für den Straßenverkehr zeigt den eigenen Standort und den zurückgelegten Weg auf einer elektronischen Karte. Sogenanntes Routing berechnet die kürzeste Straßenverbindung zu einem Zielpunkt.

Präzisionsgeräte

Industrieempfänger sind mit tellergroßen Antennen ausgestattet. Wie Consumergeräte können auch sie nicht das militärische GPS-Signal auslesen. Aber zumindest empfangen sie das Trägersignal und leiten daraus Korrekturen für die Positionsbestimmung ab.

Die Genauigkeit kann durch Zusatzinformationen von SBAS-Systemen auf deutlich besser als 5 m gesteigert werden. Als kostenlosen Dienste sind derzeit (2010) in Betrieb: EGNOS (Europa), WAAS (USA) und MSAS (Japan). Lokal verfügbare, oft kommerzielle DGPS-Korrektursignale, beispielsweise SAPOS oder ein eigener Referenzempfänger, verbessern die Ortsbestimmung um zwei Größenordnungen. Eine Nachberechnung der Messwerte liefert eine Genauigkeit von unter 1 cm.

Militärische Empfänger

Neben dem freien GPS-Signal (L1) übertragen die GPS-Satelliten ein weiteres militärisches Signal (L2, Stand 2008). Nur die US-Army und befreundete Staaten wie z.B. das deutsche und britische Militär sowie die Streitkräfte weiterer NATO-Staaten besitzen GPS-Empfänger, die einen Schlüssel besitzen, um das L2-Signal zu dekodieren.

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  GPS-Datenlogger

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  GPS-Maus

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  Einfache Navigationsgeräte

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  Navigationssystem für Automobile

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  GPS-Hochleistungsantenne und professioneller GPS-Empfänger

Hersteller

Einige bekannte Hersteller von Navigationsinstrumenten sind TomTom, Navigon, Garmin, Magellan Navigation, Blaupunkt, Becker, Decca, Leica Geosystems, Trimble, Litton oder Sercel. Weniger bekannt ist der Hersteller IGL Telematics in Deutschland, der Geräte speziell für die Ortung von Fahrzeugen anbietet.

Kartenanbieter

Bekannte Anbieter von elektronischen Karten sind Tele Atlas oder Navteq. Sie beherrschen den kommerziellen Markt. Die Landesvermessungsämter in Deutschland (Topo-Karten) und die Vermessungsverwaltung der Schweiz (Landeskarte) bieten Wanderkarten an. Seekarten werden hauptsächlich von Navionics, C-Map und Garmin angeboten.

OpenStreetMap ist die kostenlose und frei verfügbare alternative Straßenkarte der Opensource-Bewegung. Die Daten von OpenStreetMap sind vergleichbar mit den Artikeln von Wikipedia. Die Weltkarte gibt es in mehreren Ausführungen, zusätzlich gibt es spezielle Karten für Radfahrer, Wanderer, Reiter und Skifahrer. Eine Karte für Segler und Sportschiffer sowie eine für Kajakfahrer und Flussfahrer ist in Arbeit.

Datenformat

Wegpunkte, Routen und Tracks

Die Schnittstelle von GPS-Empfangseinheiten ist genormt. Die Daten werden im sogenannten NMEA-Format bereitgestellt. Manche Funkmäuse liefern diesen Datenstrom unmittelbar aus. Wenn der GPS-Empfänger die Daten weiter verarbeitet, erstellt er aus den Rohdaten einen sogenannten Track. Es ist eine Abfolge von Wegpunkten, die in kurzen Abständen aufgezeichnet werden. Man spricht von einer Route, wenn der Track auf wenige wesentliche Wegpunkte reduziert wurde. Ein Wegpunkt selbst ist die Koordinatendarstellung eines Raumpunktes. Er beschreibt mindestens die Ortskoordinaten Länge und Breite, meist auch Zeitpunkt der Aufnahme und Höhe. Besondere Wegpunkte erhalten weitere Attribute, beispielsweise eine Beschreibung oder einen Kommentar. Fast alle proprietären Standards lassen sich in das offene XML-basierte Format GPS Exchange Format (GPX) umrechnen. Auch die neueren Versionen von Google Earth können GPX darstellen.

GPS-Signal

Kommerzielle Geräte werten das GPS L1-Signal aus, das Nutzdaten mit einer Datenrate von 50 Baud überträgt. Ein Datenblock, Frame, umfasst 1500 Bit, entsprechend einer Übertragungszeit von 30 s. Jedes Frame setzt sich aus 5 Subframes zusammen. Die Subframes 1 bis 3 übertragen die Ephemeriden und Korrekturwerte des sendenden Satelliten. Die Subframes 4 und 5 senden Datensätze der stark gerundeten Ephemeriden und Zustandsinformationen anderer GPS-Satelliten. 25 Frames (12,5 Min) sind für die Übertragung eines kompletten Almanachs aller Satelliten, nach Spezifikation des GPS-Systems maximal 32, erforderlich. Die Almanach-Daten liefern Anhaltspunkte für die Kennung, den Zustand, die Position und die Dopplerverschiebung, um die Ortung nach Einschalten des Empfängers (time to (first) fix (TTF)) zu beschleunigen.

Die Bewegung der Satelliten verursacht eine Dopplerverschiebung von ±5 kHz, die des Empfängers von bis zu 1,46 Hz pro 1 km/h Geschwindigkeit. Das 2 MHz breite Signal eines Satelliten liegt damit mit einer Genauigkeit von ±10 kHz auf der Nennfrequenz. Der erste Schritt der Signalauswertung ist die Korrelation des Satellitensignals mit den PRN-Codes der einzelnen Satelliten. Alte Empfänger konnten das Signal nur sequenziell absuchen, moderne suchen gleichzeitig mit 200 000 und mehr Korrelatoren. Verlängerte Integrationszeiten steigern die Empfindlichkeit für die Signaldetektion.

Die Signalstärke der GPS-Satelliten unter freiem Himmel liegt zwischen –158 dBW und –160 dBW. Auch in Gebäuden und Fahrzeugen lässt sich GPS empfangen, sofern die Abschwächung 30 dB (Betonwand) bis 40 dB nicht übersteigt. In einer Tiefgarage ist ein Empfang nahezu ausgeschlossen. Sind die Satelliten einmal erfasst, ist das Tracken auch bei einer höheren Dämpfung möglich. Die metallbedampften Scheiben in ICE-Zügen behindern den GPS-Empfang. In manchen Wagen ist in Scheibennähe ein stabiler Empfang möglich, in neueren Wagen ist dies aber mittlerweile komplett unmöglich. Dort ist nur ein Empfang zwischen den Wagen möglich.

Militärische Systeme, und später auch Galileo und modernes GPS, senden auf zwei bis drei Frequenzen. Dadurch verbessern sich die Ionosphärenkorrektur für die Signallaufzeit und die Datenrate und damit die Positionsgenauigkeit. Die Integrität der Positionsdaten wird sich auch weiterhin nur über Zusatzdienste mit ausreichender Sicherheit beurteilen lassen.

Bestimmungsgrößen

Bei Empfang der Signale eines Satelliten

• Uhrzeit mit einer Genauigkeit < 1 µs.

Bei Empfang der Signale von drei Satelliten zusätzlich

• Position mit einer Genauigkeit < 20 m

Bei Empfang der Signale von vier Satelliten zusätzlich

• Höhe, meist bezogen auf den WGS84-Ellipsoid, mit einer Genauigkeit < 30 m
• Bestimmung der Geschwindigkeit des Empfängers über Dopplerverschiebung (nicht für einfache GPS-Empfänger)
• Genauigkeit aus Satellitengeometrie (DOP)

Bei Empfang der Signale von mehr als vier Satelliten zusätzlich

• Verbesserung der Positionsgenauigkeit < 10 m (Höhe < 20 m).

Bei Empfang des Signals eines DGPS-Satelliten (z. B. EGNOS) zusätzlich

• Verbesserung der Positionsgenauigkeit < 5 m

Abgeleitete Größen

• Geschwindigkeit (aus Positions- und Zeitdifferenz)
• Sinkgeschwindigkeit (aus Höhen- und Zeitdifferenz)
• Gleitzahl (Verhältnis aus Horizontal- und Sinkgeschwindigkeit)
• Absolute Höhe (Umrechnung anhand von Geoidundulationstabellen)
• Positionen von Gestirnen, beispielsweise Uhrzeit des Sonnenauf- und untergangs

bei Eingabe eines Zielpunktes

• Kurswinkel
• gutgemachte Geschwindigkeit
• Zeit bis zum Ziel und geschätzte Ankunftszeit

Anwendungen

Satellitendarstellung

Typisches Satellitendiagramm eines GPS-Empfängers

Das Bild rechts zeigt eine typische Darstellung der empfangenen GPS-Satelliten auf einem GPS-Empfänger. Die konzentrischen Kreise bilden das sichtbare Firmament als Zentralprojektion ab. Der rote Mittelpunkt ist der Zenit des eigenen Standorts, der äußere Kreis der Horizont, die Zwischenkreise jeweils 30° bzw. 60° Elevation. Die Momentaufnahme zeigt sechs Satelliten, der Empfangsort liegt im Süden Deutschlands. Die vier grün markierten Satelliten übertragen Positionsdaten. Die Signalstärke der beiden blauen Satelliten mit den Nummern PRN-19 und PRN-11 ist zur Zeit der Messung für eine Auswertung zu schwach. Bei ca. 30°W und einer Höhe von ca. 40°, markiert durch den Buchstaben „E“, steht der westliche EGNOS-Transponder auf einem geostationären Satelliten. Moderne GPS-Empfänger werten seine Korrektursignale aus. Geräte der Marke Garmin blenden den Buchstaben „D“ in die Signalintensitätsbalken ein, wenn EGNOS-Daten berücksichtigt werden. Unter günstigen Umständen wächst die Ortsauflösung auf wenige Meter.

Geräte der Firma Garmin geben für DGPS-Satelliten nicht den korrekten dreistelligen PRN-Code aus, sondern einen um 87 verringerten Wert. EGNOS-Satelliten mit den PRN-Codes 120 und 131 erhalten die Kennung 33 bzw. 44, WAAS-Satelliten 35 und 47.

Kursanzeige

Kursanzeiger eines GPS-Geräts

Der Kurs ist die Verbindungslinie zwischen Ausgangspunkt (Origin) und Ziel (Destination). Üblicherweise wird der Ausgangspunkt in dem Moment festgelegt, wo das Ziel eingegeben wird. Der Kursanzeiger eines GPS-Geräts (Course pointer) hält die Kursrichtung fest. Die Aufspaltung des Zeigers ist ein Maß für die Kursabweichung (Off Course). Im Bild beträgt die Abweichung 231 m. Den Maßstab legt die kleine Ziffer rechts oben neben der Skala fest, hier 0.25 km bei maximaler Aufspaltung. Bei manchen Geräten wechselt die Farbe beim Überschreiten des Maximalwerts.

Drift

Bei erdgebundener Fortbewegung nähert man sich dem Ziel am schnellsten, indem man auf es zugeht. Bei Schiffen oder Flugzeugen, die einer Querdrift ausgesetzt sind, verlängert sich der Weg zu einer Kurve, der Homing-Kurve.

GPS-Geräte zeichnen den zurückgelegten Weg (Track) nahezu in Echtzeit auf und können deshalb die Abweichung zwischen Peilung und Track bestimmen. Erst wenn die Winkelabweichung, der Turn, auf null reduziert wird, bewegt man sich geradlinig zum Zielpunkt. Die Fahrzeuglängsachse (Heading) ist um den Vorhaltewinkel aus der Fortbewegungsrichtung gedreht. Die Peilungsanzeige des GPS-Geräts zeigt dann nicht entlang der Fahrzeugachse, sondern um den Vorhaltewinkel versetzt.

Genauigkeit

Für Navigationsberechnungen mit einer Genauigkeit von 1 % genügt es, die Erde als Kugel mit einem Radius von R = 6.371 km anzusetzen. Für kleine Entfernungen unterhalb 500 km ist der Unterschied zwischen Orthodrome und Loxodrome vernachlässigbar.

Über den Umfang der Erde erhält man unmittelbar aus der Längendifferenz ΔL (in Grad) zweier Punkte die Entfernung Δs:

Δs_L= 2 * π* R * ΔL/ 360°

Bei einer Breitengraddifferenz ΔB bei der Breite B (in Grad) beträgt die Entfernung zweier Punkte:

Δs_B= 2 * π* R * cos(B) * ΔB/ 360°

Die Genauigkeit heutiger GPS Empfänger liegt bei ca. 5 m. Konventionelle GPS-Geräte beschränken deshalb die Eingabe auf eintausendstel Minute: gg° mm,mmm' oder zehntel Sekunde: gg° mm' ss,s". Denn es gilt:

• 0,00001 Grad entsprechen 1,1 m
• 0,001 Minuten entsprechen 1,8 m
• 0,1 Sekunden entsprechen 3 m

Entlang des 60°-Breitenkreises reduzieren sich diese Entfernungswerte auf etwa die Hälfte.

Siehe auch

• Terrestrische Navigation
• Kurs (Navigation)
• Expedition

Weblinks

• Das freie Projekt OpenStreetMap führt eine Liste von verschiedenen GPS-Geräten und von deren Fähigkeiten
• Informationen zu GPS-Empfängern