GPS-System
2007-06-18

Erreichbare Genauigkeit

Ein typischer GPS-Empfänger für die zivile Nutzung bietet heute eine Genauigkeit von bis zu wenigen Metern. Hierbei fällt jedoch die Anzahl der empfangen Satelliten und die Geometrie stark ins Gewicht, so dass im praktischen Gebrauch Genauigkeiten um 20 Meter erwartet werden können. Ausgefeiltere und teure GPS Empfängersysteme wie sie für die Landvermessung Verwendung finden kosten mehrere tausend Euro und erreichen Genauigkeiten im Zentimeter-Bereich.
Mit eingeschalteter "Selective Availability" (SA) erreichten die Empfänger typischerweise Genauigkeiten von etwa 100 Metern (diese Angaben gelten immer für 95 % der Fälle).
Nach der Abschaltung der SA stieg die Genauigkeit auf etwa 15 Meter, je nach verfügbarer Zahl und Stellung der Satelliten.

 

RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring)

Ein Problem bei GPS war bisher die fehlende Integritätsinformation. Das bedeutet, es war einem normalen Empfänger nicht möglich, fehlerhafte Signale von z.B. defekten Satelliten zu erkennen bevor diese von den offiziellen Monitorstationen auf "Nicht benutzbar" geschaltet wurden. Dies führte in seltenen Fällen kurzzeitig zu fehlerhaften Positionen. Für die meisten Benutzer ist das wenig kritisch, für die Luftfahrt war es ein Problem. Ein wichtiger Teil der DGPS und SBAS-Systeme (EGNOS, WAAS; siehe weiter unten und hier) war deshalb auch die Integritätsüberwachung und die Möglichkeit, Empfänger sofort über Probleme mit Satelliten zu informieren.

Für alle anderen haben moderne Empfänger eine Funktion die RAIM genannt wird und die den heute praktisch immer vorhandenen "Überschuss" an Satelliten für eine Plausibilitätsüberprüfung der Signale nutzt. Zur Positionsbestimmung werden die Signale von vier Satelliten benötigt. Stehen mindestens fünf zur Verfügung kann mit der zusätzlichen Information überprüft werden, ob die Daten "zusammenpassen", es können also Fehler zumindest entdeckt werden. Stehen die Signale von mindestens sechs Satelliten zur Verfügung, ist der Empfänger theoretisch in der Lage ein fehlerhaftes Signal aus der Berechnung auszuschliessen. Da heute bei freier Sicht zum Himmel meist sieben bis zwölf Satelliten empfangen werden können, lässt sich die Korrektur häufig auch in der Praxis anwenden. Gerade in der Seefahrt ist das eine willkommene Zusatzsicherheit. Ältere Empfänger hatten noch einem einfache Variante von RAIM, die nur Fehler erkennt, die neueren Empfänger können einzelne Signale aus der Berechnung wirklich ausschliessen. Welche Empfänger RAIM nutzen ist nicht ganz einfach herauszufinden, der Antaris 4 Chipsatz von u-blox unterstützt es beispielsweise und die Funktionen dazu können auch konfiguriert bzw. aktiviert oder deaktiviert werden.

 

Differentielles GPS (DGPS)

Mit Hilfe einer "Differenzielles GPS" genannten Technik (DGPS) können jedoch auch zivile Empfänger Genauigkeiten von fünf bis manchmal unter einem Meter erreichen. Bei DGPS wird ein zweiter stationärer GPS Empfänger zur Korrektur der Messung des ersten eingesetzt. Ist die Position des zweiten stationären Empfängers sehr genau bekannt, so kann man mit Hilfe eines Langwellensenders (283.5 - 325.0 kHz) ein Korrektursignal ausstrahlen, das von einem mit dem mobilen GPS Empfänger verbundenen Empfänger ausgewertet wird. Das Korrektursignal wird wie das GPS-Signal selbst kostenlos ausgestrahlt, es entstehen lediglich die Kosten für die Anschaffung des Langwellenempfängers. Dieser Empfänger wird über eine dreiadrige Verbindung mit dem GPS verbunden und überträgt die Korrekturdaten in einem seriellen Datenformat (RTCM SC-104). Die Ausstrahlung dieser DGPS-Signale beschränkt sich teilweise auf Küstenregionen und wird häufig von der Küstenwache der einzelnen Länder vorgenommen.

 

Wide Area Augmentation System (WAAS)

Seit 1999 in den USA in Betrieb und seit 2001 auch für kleine tragbare GPS-Systeme verfügbar ist ein System mit dem Namen WAAS (Wide Area Augmentation System) was auf deutsch etwa mit "weiträumiges Erweiterungssystem" übersetzt werden könnte.
WAAS ist ein System, in dem etwa 25 Bodenstationen die die GPS-Signale überwachen, zwei Referenzstationen an den beiden Küsten der USA, die die Daten der Bodenstationen sammeln und die Korrekturdaten errechnen. Diese Daten enthalten Korrekturinformationen für die Satellitenumlaufbahnen, Uhrendrift der Satelliten und Signalverzögerungen, die durch die Ionosphäre und Troposphäre verursacht werden. Die Daten werden dann über einen von zwei geostationäre Satelliten an die Empfänger übermittelt.
Seit Dezember 1999 ist WAAS nahezu durchgängig in Betrieb. Es wurde für die amerikanische Luftfahrtbehörde FAA für hohe Genauigkeit bei Landeanflügen entwickelt. Das WAAS-Signal ist für zivile Nutzung zugänglich und bietet sowohl auf dem Land wie auch auf See oder in der Luft eine weiterreichender Abdeckung, als sie bisher durch landgestützte DGPS-Systeme ermöglicht wurde. Im Gegensatz zur normalen DGPS-Korrektur sind für den Empfang keine zusätzlichen Empfänger nötig, es reicht aus, einen normalen GPS-Empfänger zu besitzen, dessen Software für den Empfang der WAAS-Korrektursignale vorbereitet ist.
Von Bedeutung ist allerdings, dass zur Funktion des WAAS "Sichtkontakt" zu einem der geostationären Satelliten vorhanden sein muss. Dies wird umso mehr erschwert, je nördlicher die Position des Empfängers ist, da die Höhe der geostationären Satelliten über dem Horizont entsprechend abnimmt. So ist WAAS vor allem für Navigation in offenem Land, die Luft- und Seefahrt von Bedeutung.

In Europa gibt es ein dem WAAS entsprechendes System namens EGNOS (Euro Geostationary Navigation Overlay Service - Europäischer Geostationärer Zusatz-Navigationsdienst) welches nach dem gleichen Prinzip arbeitet. Im asiatischen Raum ist ein japanisches System namens MSAS (Multi-Functional Satellite Augmentation System) in Planung. Da diese Systeme alle nach dem gleichen Prinzip arbeiten kann ein GPS-Empfänger der WAAS unterstützt auch von EGNOS und MSAS profitieren. Näheres zum WAAS/EGNOS-System hier.

 

Übersicht über die zu erwartende Genauigkeit

Genauigkeit des ursprünglichen GPS-Systems mit aktivierter SA ± 100 Meter
Typische Positionsgenauigkeit ohne SA ± 15 Meter
Typische Differential-GPS (DGPS)-Genauigkeit ± 3 - 5 Meter
Typische Genauigkeit mit aktiviertem WAAS/EGNOS ± 1 - 3 Meter

 

Garmins Genauigkeitsangabe

Die Genauigkeitsanzeige der Garmin-GPS sorgt häufig für Verwirrung. Was bedeutet nun eigentlich, wenn das Gerät beispielsweise anzeigt: Genauigkeit: 4 m. (Dies ist ein häufig zu erreichender Wert).

Die Anzeige bezieht sich auf die sogenannte 50 % CEP (Circular Error Probable). Das heisst, dass sich 50 % aller Messungen in einem Kreis mit dem angegeben Radius befinden, also hier 4 m. Das bedeutet aber auch, das die Hälfte der Messpunkte ausserhalb dieses Radius sind. Es ist aber weiterhin so, dass sich 95 % aller Messpunkte innerhalb eines Kreises mit dem doppelten angegebenen Radius befinden. Und weiterhin 98,9 % der Messungen in einem Kreis mit dem 2,55 fachen Radius. Nahezu alle Punkte befinden sich also im angegebenen Beispiel in einem Kreis mit etwa 10 m Radius. Die bestimmte Position ist dann also praktisch immer auf etwa schlimmstenfalls 10 m genau.