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Artikel aus Mobile Times 3 |
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GPS - das Global Positioning System - ist ein Satellitennavigationsverfahren zur dreidimensionalen Standortbestimmung, das jedem Anwender weltweit zeit-, sicht- und wetterunabhängige Ortsbestimmungen ermöglicht: Navigation im Klartext - oder: Ein Gameboy für Christoph Columbus.
Die Existenz von GPS hat sich bereits in sämtlichen Anwenderkreisen, in denen Positionsbestimmung in irgend einer Weise von Bedeutung ist, herumgesprochen. Speziell bei Anwendern im Bereich der Luft- und Seefahrt erfreuen sich die Geräte zunehmender Beliebtheit, da es dort so einfach wie noch nie möglich ist, innerhalb kürzester Zeit seinen Standort bis auf wenige Meter genau zu bestimmen.
GPS-Empfänger sind in den letzten Jahren die Gameboys der Flieger, Segler, Ballonfahrer und Bergsteiger geworden. Kaum größer als ein Brillenetui geben sie auch jenen Fliegern und Seglern die navigatorische Sicherheit, von der sie gerne am Stammtisch behaupten, sie zu haben. Preise im Bereich von 10.000 Schilling erleichtern die Entscheidung über die Anschaffung der Navigationshelfer, die auch einem Newcomer die exakte Position auf etwa 30 - 100m genau mitteilen.
Alle bisher verfügbaren Funknavigationseinrichtungen haben den Nachteil der örtlich begrenzten Verfügbarkeit bzw. Reichweite sowie der Tatsache, daß die Genauigkeit unter dem Fehlereinfluß der analogen Instrumente oft zu wünschen übrig läßt. Daher ergaben sich mit der zivilen Verfügbarkeit von GPS revolutionäre Möglichkeiten in Bezug auf eine weltweit verfügbare Navigationshilfe.
Ursprünglich vom Department of Defense - dem amerikanischen Verteidigungsministerium - zur Erlangung einer metergenauen Treffsicherheit entwickelt, wurde das System - wie auch viele andere hochtechnisierte miltärische Entwicklungen - zivilen Anwender in den letzten Jahren zur (fast) uneingeschränkten Benutzung zur Verfügung gestellt.
Begonnen hat die Entwicklung im Jahre 1973 und mittlerweile belaufen sich die Kosten auf etwa zehn Milliarden Dollar, was bekanntlich für militärische Aufwendungen keiner Diskussion bedarf. Durch die Challenger-Katastrophe fiel das Space-Shuttle jahrelang als Träger für Satelliten aus. Daraus resultierte eine unvorhergesehene Verzögerung im Endausbau.
Basierend auf einer Konstellation von 24 Satelliten wurde die operative Phase durch die Verfügbarkeit der hiefür notwendigen Block-II Satelliten offiziell bereits eingleitet. Trotz des "Probebetriebs" der letzten Jahre war aber - speziell in den letzten Monaten - schon ein weitgehend kontinuierlicher Betrieb der GPS-Empfänger, also eine Standortbestimmung rund um die Uhr gegeben.
GPS besteht grundsätzlich aus drei Segmenten:
Das Space-Segment besteht aus 24 aktiven Satelliten, die in insgesamt sechs Umlaufbahnen zwei Mal pro Tag die Erde umkreisen. Die Entfernung von der Erde beträgt dabei 11.000 nautische Meilen, also etwa 20.000 km. Die Umlaufbahnen haben eine Inklination von 55 Grad zum Äquator.
Grundgedanke der geplanten Konstellation war die Verfügbarkeit von mindestens fünf Satelliten an jedem Punkt der Erde zu jedem Zeitpunkt des Tages. Für eine zweidimensionale Ortsbestimmung ist die "Sichtbarkeit" von drei Satelliten notwendig und für eine drei-dimensionale jene von vier Satelliten. Natürlich ist man bezüglich Sichtbarkeit immer von den jeweils vorliegenden örtlichen Bedingungen abhängig.
Das Kontrollsegment besteht aus einer Master Control Station (MCS) in Colorado Springs und einigen Monitorstationen (bei der MCS, in Hawaii, Diego Garcia, Ascension und Kwajalein), die die Satelliten passiv verfolgen und die Positionsdaten auswerten. Diese werden an die MCS weitergeleitet, die ihrerseits wiederum die Satellitenbahnen sowie zeitliche Parameter korrigiert.
Das User-Segment besteht aus den unzähligen GPS-Benutzern, die uneingeschränkt dieses System nutzen können. Durch die Tatsache, daß es sich um ein passives System handelt, ist die Anzahl der Benutzer nicht beschränkt. Man hat somit kostenlos die Möglichkeit, unabhängig von der Zeit, von der herrschenden Sicht oder dem aktuellen Wetter darauf zuzugreifen.
Es werden zwei verschiedene Präzisionsstufen unterschieden: SPS (Standard Positioning Service) und PPS (Precise Positioning Service). Damit verbunden sind zwei Frequenzen, die man mit L1 und L2 (1.575,42 Mhz bzw.1.227,60 MHz) bezeichnet.
SPS verwendet den sogenannten C/A-Code, der 1.023 Bits, eine Taktfrequenz von 1,023 Mhz und daher eine Wiederholrate von einer Millisekunde aufweist. Der C/A-Code wird nur auf der L1-Frequenz gesendet und ist zivilen Anwender als einzige Information frei zugänglich. Die theoretische Genauigkeit durch Auswertung in C/A-Code-Empfängern liegt bei 10 - 30m.
Theoretisch deshalb, weil sich das US-Verteidigungsministerium vorbehält, absichtlich den sogenannten S/A-Mode zu aktivieren, der zu einer beabsichtigten Verfälschung des Signals und damit Verringerung der Genauigkeit führt.
Die garantierte Präzision in Friedenszeiten wird mit folgender Aussage definiert: Zumindest 95% aller horizontal gemessenen Positionen (also geographische Länge und Breite) liegen in einem Umkreis mit einem Radius von 100 m.
PPS ermöglicht autorisierten Benutzern Genauigkeiten bis zu 16 m, dreidimensional zu 50% der Zeit bzw. 30 m zu 95% der Zeit. Damit verbunden die Verwendung des P-Codes und einer zweiten Frequenz (L2). Der P-Code besitzt eine Bit-Rate von 10,23 Mhz und eine Wiederholrate von 276 Tagen und wird auf L1 und L2 gesendet.
Um anderen militärischen Mächten (und uns zivilen Anwendern) den Vorteil von PPS und der damit erzielbaren Genauigkeit zu nehmen, wird der P-Code verschlüsselt und damit zum Y-Code. Diese Technik wird mit A-S (Anti-Spoofing) bezeichnet und macht die Lesbarkeit des Signals ohne "Entschlüsselung-Keys" unmöglich.
Durch die Verwendung von L1 und L2 gleichzeitig wird beim PPS gleichzeitig der Einfluß der Ionosphäre auf die Übertragungsgeschwindigkeit der Signale berücksichtigt, ein Vorteil, den sich ein C/A-Code Empfänger mangels zweiter Frequenz nicht zunutze machen kann.
Alles in allem kann man als privater Anwender wohl auch mit der zivilen Genauigkeit von 30 - 100m das Auslangen finden. Höhere Ansprüche wären bei diesem kostenlosen Service wohl unverschämt.
Yachtbesitzer klagen zwar, sie könnten die Hafeneinfahrt im dichten Nebel dann doch nicht so genau finden, doch wer bietet eine bessere Alternative als GPS?!
Überraschenderweise konnte man beobachten, daß sich die österreichische Post bereits bald als sehr innovativ gab, indem sie eine generelle Bewilligung für die Verwendung von GPS-Empfängern erteilte. Einerseits ist die Post selbst Anwender dieser Technologie, andererseits hat man möglicherweise erkannt, daß es ohnehin nicht sehr sinnvoll geschweige denn möglich ist, Kontrolle über Besitz, Verwahrung oder Verwendung von GPS-Empfängern auszuüben.
Für den potentiellen Anwender bedeutet dies also: Gerät kaufen, einschalten und verwenden. Hier hat niemand etwas einzuwenden. In der Luftfahrt - speziell in der kommerziellen - wird diese Thematik naturgemäß etwas genauer genommen, da hier sicherheitstechnische Aspekte im Vordergrund stehen.
Betreffend Verwendung im Bereich der Luftfahrt sei zu erwähnen, daß bislang bei der Verwendung von portablen GPS-Empfängern wohl keiner etwas dagegen hatte, solange man sich an alle für die jeweilige Situation notwendigen Regeln hielt. Problematisch wird es nur dann, wenn man sich auf GPS verläßt und eine Übertretung der Vorschriften begeht.
Dann zu sagen, man hätte sich auf GPS verlassen und aufgrund der angezeigten Werte navigiert, ist zwar möglicherweise navigatorisch in Ordnung, hält jedoch rechtlich keiner Argumentation stand. Es scheitert hier also vielmehr an der offiziellen Zulassung als an den gegebenen Möglichkeiten: GPS war bisher als alleiniges Navigationsverfahren nicht zulässig. In der kommerziellen Fliegerei ist GPS zwar zugelassen, jedoch nur in Kombination mit anderen Verfahren, wie z.B. OMEAGA, LORAN-C, INS - also Funknavigations- oder Trägheitsnavigationsverfahren.
Beim privaten Luftfahrtsport hat niemand etwas einzuwenden, wenn der Privatpilot zur Unterstützung seiner navigatorischen Fähigkeiten den besagten Gameboy zu Hilfe nimmt. Mit der Beantwortung der Frage "OE-GPS, wo ist Ihr derzeitiger Standort" mit der Aussage "5.4 NM, 327° vom Flugplatz" war wohl schon früher klar, daß dies auch bei gewissenhafter Navigation nach Sichtflugregeln nicht aus der Karte bestimmt wurde.
Der vielzitierte Satz "Was ist, wenn die Amerikaner das System abschalten?" sei auch hier nicht unerwähnt gelassen. Viele äußern Bedenken über die Abhängigkeit von der USA. Man sollte jedoch zwei grundlegende Dinge nicht außer Acht lassen: Zehntausende Empfänger sind in der USA im Umlauf, d.h. ebensoviele Amerikaner verwenden dieses System seit Jahren selbst. In der USA ist mit den C/A-Code Empfängern bereits ein ungeheurer kommerzieller Markt verbunden und man kann davon ausgehen, daß nicht von heute auf morgen ein Milliarden-System "abgeschaltet" wird.
Weiters hat sich das amerikanische Verteidigungsministerium bereits seit geraumer Zeit verpflichtet, ab dem Zeitpunkt der operativen Phase (also 1994) das System für zehn Jahre kostenfrei zur Verfügung zu stellen. Sich heute Gedanken zu machen, was mit diesem großartigen Navigationssystem in zehn Jahren passiert, ist zwar sehr weise und vorausschauend, sollte zum heutigen Tage jedoch nicht als Kaufkriterium für einen GPS-Empfänger im Dienste der Sicherheit gelten.
Manche verbinden mit "Abschaltung" auch nur ganz einfach eine Verschlechterung der Genauigkeit. Diese ist bereits jetzt aktiv (S/A-Mode), definiert und in Friedenszeiten garantiert. Im Kriegsfall wäre demzufolge zwar eine größere Ungenauigkleit zu erwarten, jedoch keine "Abschaltung", da das US-Militär ja selbst Zugriff haben möchte. Ironischerweise war während des Golfkrieges S/A ausgeschaltet, da zu diesem Zeitpunkt nur kommerzielle Empfänger verfügbar waren und man natürlich selbst den Vorteil der genauen Standortbestimmung nutzen wollte. Logisch und zukünftig vorgesehen ist die Politik natürlich umgekehrt: S/A in Kriegszeiten "ein".
Verschiedene GPS-Hersteller vertreten unterschiedliche Meinungen in bezug auf Anzahl der Kanäle, über die Notwendigkeit, die Satelliten permanent oder im Multiplexverfahren zu verfolgen etc.. Daher sei hier ein kurzer Ausflug in die Empfängertechnologie getan:
Einkanal-Mulitplexempfänger "scannen" die einzelnen Satellitenkanäle im sogenanntem Multiplexverfahren und haben daher aus elektronischer Sicht ein um vier bis acht dB geringeres Carrier/Noise Ratio (Trägersignal/Rausch-Verhältnis) als Empfänger, die die Satelliten permanent verfolgen, da für die Auswertung jeweils nur ein geringerer Anteil des Leistungsspektrums des Signals zur Verfügung steht.
Bei den Drei-, Vier-, Fünf- und Sechs-Kanal-Empfängern wird meist ein Teil der Empfangskanäle den Satelliten fix zugeordnet und ein Teil "scannt" die restlichen Satelliten. Manche Hersteller ordnen auch den vorhandenen Kanälen jeweils fix einen Satelliten zu, ohne die restlichen zu scannen. Das Kriterium für die Auswahl der effektiv für die dreidimensionale Positionsbestimmung verwendeten notwendigen vier Satelliten resultiert aus einer Kombination von Signalstärke und Geometrie.
GPS-Empfänger arbeiten meist mit geographischen Koordinaten, also mit Längen- und Breitenangaben in Grad/Minuten/Sekunden (z.B. N 48° 30' 45", E013° 20' 40") sowie der Höhe über MSL (mittlere Seehöhe). Durch Vergleich der vom Empfänger angezeigten Koordinaten mit jenen der Karte ist man in der Lage, seine Position zu bestimmen.
Das es für den Navigator jedoch meist unpraktikabel ist, mit numerischen Längen- und Breitenangaben zu arbeiten, unterstützen die Navigationsgeräte den Anwender durch Bereitstellung von alphanumerischen Wegpunktangaben. Somit ist es möglich, seinen momentanen Standort festzuhalten und diesem einen Namen zu geben ("Hintertupfing") oder aus der Karte einen Ort zu suchen, diesen Namen in das Gerät einzugeben und die geographische Position mit abzuspeichern.
Der Rest ist einfacher als die Bedienung eines Videorecorders: Wegpunkt auswählen und man erhält als Navigationsinformation im Klartext die Entfernung und Richtung zum Zielpunkt, die tatsächliche Geschwindigkeit über Grund, die voraussichtliche Ankunftszeit aufgrund der Geschwindigkeit, die Kursabweichung vom optimalen Kurs zum Zielpunkt, die Anzahl der verfügbaren Satelliten und vieles mehr! Natürlich findet man jederzeit zu seiner Ausgangsposition zurück - wichtig für alle Abenteurer, die im Dschungel ihre Karte verloren haben!
Die Vermutung liegt nahe, man hätte hier ein Werkzeug, mit dem man seinen Tacho einmal mal so richtig "eichen" könnte - die Vermutung ist berechtigt, denn GPS zeigt die tatsächliche Geschwindigkeit des Fahrzeugs genauer als jedes andere Instrument!
Meist wird in den Prospekten mit Genauigkeitsangaben bis zu 25, 15 oder gar 10 m hantiert - doch Vorsicht, jeder kocht mit Wasser und ALLE Empfänger haben realistisch gesehen die gleiche systembedingte Genauigkeit von 30 - 100m, abhängig von S/A, Geometrie der Satellitenkonstellation etc.. Trotzdem gibt es nennenswerte Unterschiede bezüglich Verläßlichkeit und Genauigkeit der angezeigten Position. Ein Mehrkanalempfänger, der alle Satelliten kontinuierlich "gelockt" hat, ist naturgemäß bereits um einige dB empfindlicher als ein Einkanal-Multiplexempfänger.
Alle am Markt erhältlichen portablen Empfänger für den privaten Anwender liegen in einem Bereich von 8.000,- bis 14.000,- incl. MwSt. Es sollte bei den geringfügigen Preisunterschieden der gutqualitativen Empfänger klar sein, daß man nicht ausschließlich nach dem Preis geht, da dies ja möglicherweise eine Investition für einen längeren Zeitraum ist, sondern eher auf praktische Verwendbarkeit und Bedienungsfreundlichkeit achtet.
In den letzten Monaten hat sich zusätzlich ein neuer Bereich innerhalb des GPS-Marktes gebildet: DGPS - Differential GPS - ist das große Schlagwort. Diese Systeme ermöglichen die Navigation in Real-Time (Echtzeit) mit Genauigkeiten in der Größenordnung ein bis zehn Meter, also zumindest mit einer Genauigkeitssteigerung um einen Faktor 10. Im Bereich der geologischen Datenerfassung (1 - 10 m Genauigkeit) sowie bei geodätischen Vermessungen (cm-Genauigkeit) ist diese Technologie bereits seit Jahren bekannt und wird mit Erfolg eingesetzt. Auf diese Thematik wird in einer der folgenden Ausgaben noch näher eingegangen.
Mit DGPS ist es möglich, die Genauigkeit in Echtzeit mit relativ geringem Aufwand um einen Faktor 10 zu erhöhen. Gut - warum ist es aber nicht auch dem bösen Feinde möglich, mit dieser Genauigkeit zu navigieren?! Es ist ihm möglich!!! Die Idee von S/A ist ganz einfach, die autonome Genauigkeit in einer Art und Weise zu beeinflussen, die es anderen militärischen Mächten unmöglich macht, Raketen in Echtzeit mit hoher Genauigkeit zu plazieren. Mit differentiellen Systemen ist es nämlich nicht möglich, mittels Funksystemen bei den bei Raketen auftretenden Geschwindigkeiten Korrekturdaten zu übertragen, die die gewünschten S/A-Einflüsse eliminieren.
Für andere Anwendungen im Bereich ziviler Landesysteme oder im Bereich der Ortung und Navigation von Fahrzeugen ist es sehr wohl möglich, mit DGPS auf Genauigkeiten im Bereich von ein bis zehn Meter oder besser zu kommen.
In einer der folgenden Ausgaben werden weitere Aspekte der Anwendung von GPS behandelt. Durch die unglaubliche Anwendungsvielfalt der globalen, zeit-, sicht- und wetterunabhängigen, weltweiten Navigation mit den GPS-Gameboys wird in Zukunft mancher Lebensbereiche revolutioniert - Wer hätte vor drei Jahren an die freizügige Verwendung von Notebooks und Handys in unserem täglichen Umgang gedacht?
Werner Oberegger
Letzte Überarbeitung: Montag, 18. Juni 2007
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