GPS-System
2008-11-18

WAAS/EGNOS

Sehr stark vereinfacht handelt es sich beim WAAS-System (WAAS = Wide Area Augmentation System; Erweiterungssystem für einen großen Bereich) um ein satellitengestützes DGPS (Differenzial GPS). Das heisst, zum Empfang des Signals benötigt man keinen zusätzlichen Langwellenempfänger und es werden zur Signalübertragung keine zusätzlichen und zahlreichen Sendestationen gebraucht.

 

Unterschiede zwischen WAAS, EGNOS und MSAS

Das Prinzip ist bei allen drei Systemen das gleiche und die Systeme sind sogar miteinander kompatibel. Das kann man beinahe schon als erstaunlich bezeichnen, da WAAS von den Nordamerikanern, EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) von den Europäern und MSAS (Multi-Functional Satellite Augmentation System) von den Japanern bzw. zahlreichen asiatischen Ländern entwickelt und betrieben wird. Während sich das WAAS-System nun bereits seit einigen Jahren im fortgeschrittenen Testbetrieb befindet und seit Januar 2003 die volle Betriebsbereitschaft erreicht hat (Initial Operational Capability; IOC), hat das EGNOS-System vor allem im Jahr 2002 große Fortschritte gemacht. Noch immer (Mai 2005) befindet es sich aber auch im Testbetrieb als ESTB (EGNOS satellite test bed). Die Entwicklung des MSAS hingegen erfuhr 1999 einen herben Rückschlag, nachdem der erste von zwei für diesen Dienst benötigten Satelliten beim Start verloren ging. Der für August 2004 vorgesehene Start des Ersatzsatelliten wurde auf unbestimmte Zeit verschoben um die Ursachen für den Fehler bei der Trägerrakete 1999 zu untersuchen. Aktuelle Informationen darüber sind aber rar.

Selten hört man als Sammelbegriff der Systeme die Bezeichnung SBAS (Satellite Based Augmentation Systems, Satellitengestützte Erweiterungssysteme), obwohl damit eigentlich alle drei Systeme gemeinsam beschrieben würden.

 

Wie die SBAS funktionieren

Zweck des Systems

Es dürfte nicht überraschen, dass WAAS, EGNOS und MSAS nicht dazu entwickelt wurden bzw. werden, um dem Wanderer oder Geocacher eine genauere Positionsbestimmung zu ermöglichen. Der eigentliche Hintergrund ist die Flugsicherung. Um als einziges Navigationsmittel zulässig zu sein, ist das GPS-System zum einen nicht genau genug und zum anderen ist keine zuverlässige und rechtzeitige Benachrichtigung des Nutzers über eventuelle Fehler oder Ausfälle möglich. Somit sind Flugzeuge speziell beim Landeanflug ohne oder mit schlechter Sicht heute auf ILS-Systeme (Instrument Landing System) angewiesen. Diese müssen aber mit hohem finanziellen Aufwand auf jedem einzelnen Flughafen installiert werden. Hier sollen die SBAS-Systeme in naher Zukunft eine Ergänzung sein und CAT I Anflüge (eingeschränkte Sicht, aber mindestens 550 m) ohne ILS zu ermöglichen. CAT III Anflüge (ganz ohne Sicht) werden allein mit den SBAS jedoch nicht möglich sein.

 

Infrastruktur und Funktionsweise

Die Zusatzsysteme sollen sowohl die Genauigkeit als auch die Zuverlässigkeit des GPS Systems erhöhen. Dazu werden an zahlreichen Orten in den USA (25), Europa (10 während des Testbetriebs, im Endausbau dann 34) bzw. im Pazifikraum GPS-Empfangstationen oder sogenannte RIMS (Ranging and Integrity Monitor Stations, Entfernungsmessungs und Integritätsbeobachtungs Stationen) aufgebaut. Die Position dieser Stationen muss sehr exakt bekannt sein. Exakt bedeutet, dass die Position der Antenne auf wenige Zentimeter genau bekannt ist. Diese Stationen empfangen nun das normale GPS-Signal (im Übrigen auch die Signale von GLONASS und später GALILEO). Hierdurch kann für jede einzelne Station bereits die Differenz zwischen der über GPS bestimmten und der tatsächlichen Position der Station bestimmt werden. Da die RIMS mit beiden GPS-Frequenzen (L1 und L2) arbeiten, kann außerdem die Signalverzögerung durch die Ionosphäre für jeden einzelnen Satelliten bestimmt werden.

Weiterhin erhält man beim Empfang von mehr als vier Satellitensignalen überzählige Informationen, aus denen eventuelle Fehlfunktionen einzelner Satelliten, beispielsweise durch Uhrenfehler oder Umlaufbahnschwankungen, sehr schnell abgeleitet werden können. Die Daten aller RIMS werden nun an ein Central Processing Centre (Hauptrechenstation) weitergeleitet. Diese befinden sich für das ESTB in Toulouse (Frankreich) und Hønefoss (Norwegen). Wenn EGNOS vollständig in Betrieb geht, werden EGNOS-Kontroll/Rechenzentren (genannt MCC = Mission Control Centre) in Deutschland (Langen bei Frankfurt), Spanien (Torrejon bei Madrid), Italien (Ciampino bei Rom) und Großbritannien (Swanwick bei London) errichtet sein. Hier werden die Daten aller Stationen miteinander verrechnet und folgende Daten errechnet:

  • Langzeitfehler der Satellitenpositionen
  • Kurz- und Langzeitfehler der Satellitenuhren
  • IONO Korrekturgitter
  • Integritätsinformationen

Mit Hilfe der Integritätsinformationen können innerhalb von 6 Sekunden nach dem Auftreten von Problemen mit dem GPS-System die Empfänger darüber informiert werden.

Das für zivile Nutzer wohl wichtigste Ergebnis der SBAS ist das IONO Korrekturgitter. Da nach Abschaltung der künstlichen Signalverschlechterung (SA) die größte Fehlerquelle für Einfrequenzempfänger die Signalverzögerungen der Ionosphäre sind, hat eine exaktere Korrektur als das in jedem GPS-Empfänger allgemeine Ionosphärenmodell direkte und große Auswirkungen auf die Genauigkeit der bestimmten Position. Aus den Messdaten der RIMS wird nun eine Art Karte mit der Gesamtelektronenmenge (TEC = Total Electron Content) des Gebietes berechnet, welches von den Empfangsstationen abgedeckt wird. Mit etwas verminderter Genauigkeit lässt sich dies sogar über ein noch größeres Gebiet berechnen.

Diese ganzen Informationen werden nun an bestimmte geostationäre Satelliten gesendet. Für das EGNOS-Testsystem (ESTB) geschieht dies von Aussaguel (Frankreich, bei Toulouse) an den INMARSAT AOR-E und von Fucino (Italien) aus an INMARSAT IOR. Später mit EGNOS in Normalbetrieb wird von Aussaguel und Goonhilly (Großbritannien) zum Satellit AOR-E und von Fucino und Goonhilly zum Satelliten IOR-F5 gesendet. Von der Station Torrejon (Spanien) und Scanzano (Italien) werden Daten zum Satelliten Artemis gesandt. Dieser hat im Januar 2003 doch noch seine endgültige Position erreicht hat, nachdem er wegen Problemen mit der letzten Stufe der Ariane-Rakete beim Start im Juli 2001 beinahe aufgegeben werden musste.

Die geostationären Satelliten senden ein sehr ähnliches Signal wie die GPS-Satelliten auf der selben Frequenz diese. Damit können die geostationären Satelliten zum einen zur Positionsbestimmung verwendet werden und zudem werden die gesendeten Informationen im GPS-Empfänger dazu verwendet, die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu verbessern.

Mit Hilfe der übertragenen Ionosphären-Karte kann nun für jedes Signal eines GPS-Satelliten, das zur Positionsberechnung verwendet wird, der Durchtrittspunkt (pierce point) durch die Ionosphäre bestimmt und die Signalverzögerung berechnet werden. Die Ionosphäre verändert sich mit der Sonnenaktivität und damit auch im Laufe des Tages. So ist beispielsweise bekannt, dass normale Einfrequenz GPS-Empfänger nachts nach Mitternacht eine höhere Genauigkeit aufweisen als tagsüber. Die übrigen Funktionen zur Integritätsüberprüfung des GPS-Systems, die die SBAS-Systeme bieten, werden von Handheld-Empfängern vermutlich nie ausgewertet, da die notwendigen Berechnungen zu komplex sind und die Aussagen daraus vermutlich für den Normalbenutzer nicht von besonderem Interesse sind.

 

Unterschied zu normalem DGPS

In der Berechnung des Ionosphärenkorrekturgitters liegt für normale Nutzer der Hauptunterschied in der Funktionsweise zwischen Differential-GPS und WAAS. Beim DGPS vergleicht jede einzelne Referenzstation die über das GPS-Signal für sich bestimmte Position mit der bekannten Position. Hieraus wird der Entfernungsfehler zu jedem Satelliten und deren Änderungsrate (Pseudrorange correction und Range Rate Correction) errechnet und diese Information dann über eine bestimmte Langwellenfrequenz als Korrekturdaten ausgesendet. Ein DGPS-Empfänger empfängt nun diese Signale und wendet die Korrektur auf seine eigene Position an. Durch mit zunehmender Entfernung des Empfängers von der Referenzstation größerer werdende Unterschiede in den atmosphärischen Einflüssen, wird die Korrektur immer wenig exakt, je weiter entfernt man sich von einer solchen Station befindet. Nimmt die Entfernung zur Referenzstation zu, so durchläuft das Signal vom Satelliten zur Referenzstation andere Teile der Atmosphäre als das Signal vom Satelliten zum Benutzer. Weiterhin werden vom Benutzer teilweise Daten von ganz anderen Satelliten empfangen und ausgewertet als von der Referenzstation. Der Empfänger hat also eine andere Satellitensymmetrie und erhält andere Ergebnisse.

Die typische Reichweite von DGPS-Sender liegt bei etwa 70 - 200 km und in diesem Bereich ist auch die Korrektur noch gut. Das oben beschriebene Phänomen der Verschlechterung der Qualität der Korrektur mit zunehmender Entfernung von einem Korrektursender bei DGPS wird im englischen als "spatial decorrelation" bezeichnet.

Beim WAAS hingegen wird aus der Summe der Messungen aller Referenzstationen ein Korrekturgitter für das gesamte abgedeckte Gebiet berechnet. Jeder einzelne Empfänger korrigiert seine Position daraufhin mit Hilfe dieser Daten selbst. Die erreichbare Genauigkeit ist sogar höher als mit normalem DGPS und das Gebiet, für welches die Korrekturdaten gelten kann extrem vergrößert werden. Daher kommen auch die Worte "Wide Area" in der Bezeichnung WAAS. Befindet man sich jedoch auch bei den SBAS deutlich außerhalb des Einzugsgebietes der Korrekturstationen und empfängt beispielsweise in Europa die Korrekturdaten für Nordamerika, so wird der GPS-Empfänger im glücklichsten Fall die Standardionosphärenkorrekturen anwenden, die er gespeichert hat. In diesem Fall wird man keinen Unterschied zwischen aktiviertem und nicht aktiviertem WAAS/EGNOS bemerken. Im unglücklichsten Fall jedoch wird überhaupt keine oder eine falsche Ionosphärenkorrektur angewandt und die Position ist sogar schlechter als mit deaktiviertem WAAS/EGNOS. Wenn die Software des GPS-Empfängers korrekt programmiert ist, sollte dieser Fall jedoch nicht eintreten, da die SBAS-Systeme die Informationen über den Gültigkeitsbereich ihrer Daten in den ausgesendeten Signalen mitliefern.

 

Abdeckungsbereich der geostationären Satelliten

Der Bereich, in dem WAAS, EGNOS und MSAS verfügbar sind, hängt zum einen davon ab, wo überall RIMS stehen deren Informationen zur Berechnung verwendet werden, und zum anderen davon, wo die Signale der geostationären Satelliten empfangen werden können. Als Satelliten zur Ausstrahlung der Korrektursignale werden momentan unter anderem einige Inmarsat-Satelliten verwendet, die alle eine geostationäre Umlaufbahnen (ca. 36000 km) haben und eigentlich Telefonsatelliten für Telefongespräche von und zu Schiffen sind. Nachfolgende Grafik zeigt die zur Ausstrahlung verwendeten Satelliten und deren "Footprint" also der Bereich, indem die Signale empfangen werden können. Bis zum Endausbau von EGNOS ändert sich hier allerdings noch einiges, speziell auch für die Abdeckung im europäischen Raum.

INMARSAT-Satelliten und deren Ausleuchtungsbereich
INMARSAT-Satelliten und deren Ausleuchtungsbereich

Die Bezeichungen der Satelliten nochmals tabellarisch:

Satellitenbezeichnung Satellit steht über GPS PRN Nr. Garmin Sat ID
INMARSAT 3 F2 (AOR-E)
(Atlantic Ocean Region East)
Westafrika 120 33
INMARSAT 3 F4 (AOR-W)
(Atlantic Ocean Region West)
Ostküste Brasiliens 122 35
INMARSAT 3 F1 (IOR)
(Indian Ocean Region)
Indischer Ozean 131 44
INMARSAT 3 F3 (POR)
(Pacific Ocean Region)
Pazifik 134 47
INMARSAT IOR-W (III-F5)
(Indian Ocean Region West)
Afrika (Kongo) 126 39
Artemis Afrika (Kongo) 124 37
MTSAT-1R
(Multifunction Transportation Satellite)
Start Anfang 2003 129 42
MTSAT-2 Start Mitte 2004 137 50

 

Wenn man also in Europa auf einem Garmin-GPS bei aktiviertem WAAS eine Korrektur mit anderen Satelliten als Nr. 33 oder Nr. 44 im Satelliten-Display findet, sollte man Vorsicht walten lassen. Speziell vor Nr. 35 sollte man sich "in Acht nehmen", da dieser unter bestimmten Umständen empfangen werden kann, aber nur Ionosphärendaten für Nordamerika ausstrahlt. Von den Korrekturdaten dieses Satelliten hat man keine Vorteile. Interessanterweise scheinen zumindest die Garmin-GPS keine Auswertung der Daten für den Gültigkeitsbereich der Signale durchzuführen.
Die Verteilung und Nutzung der Satelliten für EGNOS wird sich Anfang bis Mitte des Jahres 2004 nochmals verändern. Der Satellit ARTEMIS der ESA (European Space Agency, Europäische Weltraumbehörde) wird hinzukommen, AOR-E wird ab MItte des Jahres nicht mehr verwendet und IOR wird in Richtung Pazifik verschoben.

Einen deutlichen Nachteil haben die auf geostationären Satelliten basierenden Korrektursysteme allerdings. Für den bodengebundenen GPSler befinden sich die geostationären Satelliten alle im Süden und dort relativ nahe am Horizont. Befindet man sich beispielsweise in München, so steht AOR-E etwa 35° über dem Horizont, IOR hingegen nur 16°. Dadurch kann es sehr leicht zu Abschattungen durch Gebäude oder auch Bäume kommen. In bewaldeten oder hügeligen Gebieten wird man vermutlich nicht in den Genuss der EGNOS Korrekturen kommen. Hier macht sich negativ bemerkbar, das das System eigentlich für die Luftfahrt gedacht ist, wo es keine Rolle spielt, wenn die Satelliten etwas tiefer stehen. Der Satellit III-F5, der für den EGNOS-Betrieb verwendet werden wird, wird von München aus etwa 35° über dem Horizont stehen. Wie der Empfang in Wäldern und Hügellandschaften ausfallen wird, wird sich zeigen.

 

WAAS, EGNOS und Garmin GPS

Seit dem 1. April 2003 wird das EGNOS-Signal in "WAAS kompatiblem" Format (SBAS mode 0/2) ausgestrahlt und es sind damit auch die Garmin-Empfänger in der Lage, das Signal zu verarbeiten.
An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, dass die Garmin-GPS das WAAS oder EGNOS-Signal nur verarbeiten können, wenn sich das Gerät nicht im Energiesparmodus befindet. Es reicht also nicht, die Option WAAS im Optionenmenü zu aktivieren, sondern man muss gleichzeitig auch in den Normal-Modus wechseln. Diese Tatsache ist ein Nachteil für die Verwendung von WAAS/EGNOS (zumindest mit Garmin-Empfängern). Im Normalmodus halten die Batterien der Garmin-Geräte nur etwa halb so lange wie im Energiesparmodus. Das Bild rechts zeigt die Satellitenseite eines Garmin Vista mit aktiver Differentialkorrektur durch EGNOS. Der Buchstabe "D" im Signalbalken der Satelliten zeigt an, dass für das Signal des entsprechenden Satelliten Korrekturdaten empfangen und verwendet werden. Mit einer angezeigten Genauigkeit von 2 Metern (RMS) ist die Positionsgenauigkeit entsprechend gut.

 

aktueller Status von ESTB/EGNOS

vom 20.07.2006:

Seit Juni 2006 läuft der Satellit Inmarsat-3-F1; IOR-W (PRN 126; ID 39) im regulären Betrieb von EGNOS und ab Juli 2006 wird ein kontinuierliches Signal ausgesendet. Damit kann EGNOS ganz normal wie auch WAAS verwendet werden. IOR-W wird zumindest in Süddeutschland auf einer angenehmen Höhe (z.B. München 34 ° über dem Horizont) empfangen.

 

Ende Juni 2006 wurde ESTB und damit die Übertragung vom Satelliten Inmarsat 3F2; AOR-E (PRN120; ID 33) gestoppt (30. Juni 2006; 12h02 UTC). Der Satellit sollte ab Juli im EGNOS-Betrieb senden, ich konnte ihn aber bisher nicht als solchen empfangen.

 

Der Satellit Artemis sendet zeitweise im Probebetrieb, wird auch manchmal als Satellit vom GPS-Gerät erkannt, bisher zumindest bei mir jedoch nicht ausgewertet. Es ist aber absehbar, dass er irgendwann voll sendet. Da er aber nahezu auf der gleichen Position steht wie IOR-W, wird die endgültige Aktivierung keine weiteren Vorteile bringen.

 

Position und Abdeckungsbereich der EGNOS-Satelliten
Position und Abdeckungsbereich der EGNOS-Satelliten

Für weiter Infos siehe hier (englisch).

 

Links

WAAS-Seite der FAA (Federal Aviation Administration); englisch
ESA-Satellitennavigation; englisch
EGNOS-Seite der ESA; englisch
ESA-Liste der SBAS-fähigen (WAAS und EGNOS) GPS-Geräte als pdf-File (Stand: 2006); englisch
INMARSAT
; englisch

 

(Besonderer Dank geht an Michael Baguhl für ergänzende Hinweise und Korrekturen)