GPS Überblick

Das Global Positioning System (GPS) Navigation System with Timing And Ranging (NAVSTAR) wurde als Entfernungsmesssystem von bekannten Satellitenpositionen im Weltraum zu unbekannten Positionen an Land, auf See, in der Luft und im Weltraum konzipiert. Die GPS-Konstellation besteht aus 24 Satelliten in 6 Bahnebenen mit 4 Satelliten in jeder Ebene. Die aufsteigenden Knoten der Bahnebenen sind um 60 Grad voneinander entfernt und die Ebenen sind um 55 Grad geneigt. Jeder GPS-Satellit befindet sich auf einer annähernd kreisförmigen, halbsynchronen (20.200 km Höhe) Umlaufbahn. Die Bahnen der GPS-Satelliten sind über Rundfunk verfügbar – überlagert von den GPS-Pseudozufallsrauschcodes (PRN) – oder nach einer Nachbearbeitung, um präzise Ephemeriden zu erhalten, sind sie unter anderem bei Organisationen wie dem Jet Propulsion Lab (JPL) oder dem International Geodetic Service (IGS) erhältlich. Die GPS-Empfänger wandeln die Satellitensignale in Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitschätzungen für die Navigation, Positionierung, Zeitverbreitung oder Geodäsie um.

Signale

Jeder GPS-Satellit sendet Daten auf zwei Frequenzen, L1 (1575,42 Mhz) und L2 (1227,60 MHz). Die Atomuhren an Bord des Satelliten erzeugen die L-Band-Grundfrequenz von 10,23 MHz. Die Trägerfrequenzen L1 und L2 werden durch Multiplikation der Grundfrequenz mit 154 bzw. 120 erzeugt. Den Trägerfrequenzen L1 und L2 werden zwei Pseudozufallsrauschen-Codes (PRN) sowie Satellitenephemeriden (Broadcast Ephemerides), ionosphärische Modellierungskoeffizienten, Statusinformationen, Systemzeit und Korrekturen der Satellitenuhr überlagert. Die gemessenen Laufzeiten der Signale von den Satelliten zu den Empfängern werden zur Berechnung der Pseudoentfernungen verwendet.

Der Course-Acquisition (C/A)-Code, manchmal auch Standard Positioning Service (SPS) genannt, ist ein Pseudozufallsrauschcode, der auf die Trägerfrequenz L1 aufmoduliert wird. Da die ersten Tests zur Punktortung mit dem C/A-Code bessere Positionen ergaben als erwartet, ordnete das Verteidigungsministerium die “Selective Availability” (SA) an, um unbefugten Nutzern die volle Systemgenauigkeit vorzuenthalten. SA ist die absichtliche Verfälschung der GPS-Satellitenuhren und der Broadcast-Ephemeriden. Es werden Fehler in die Grundfrequenz der GPS-Uhren eingebracht. Dieses “Dithering” der Uhren wirkt sich auf die Korrekturen der Satellitenuhren sowie auf die Pseudo-Entfernungsangaben aus. Fehler werden in die Broadcast Ephemeriden eingebracht, indem die Bahninformationen in der Navigationsnachricht abgeschnitten werden.

Der Präzisionscode (P), der manchmal auch als Precise Positioning Service (PPS) bezeichnet wird, wird auf die L1- und L2-Träger moduliert, wodurch die Auswirkungen der Ionosphäre erster Ordnung beseitigt werden können. Der P-Code wird als Y-Code bezeichnet, wenn er verschlüsselt ist. Der Y-Code ist eigentlich eine Kombination aus dem P-Code und einem W-Verschlüsselungscode und erfordert einen vom DoD autorisierten Empfänger, um ihn zu verwenden. Ursprünglich war die Verschlüsselung als Mittel zum Schutz des Signals vor Interferenzen, Störungen oder verfälschten Signalen mit der GPS-Signatur gedacht. Aufgrund der Absicht, sich gegen “Spoofing” zu schützen, wird die Verschlüsselung als “Anti-Spoofing” (A-S) bezeichnet. A-S ist entweder “an” oder “aus”; es gibt keine variable Wirkung von A-S wie bei SA.

Atmosphärische Effekte

GPS-Signale, die die Atmosphäre durchqueren, unterliegen Brechungseffekten wie Strahlenbeugung und Ausbreitungsverzögerungen. Dazu gehören die atmosphärischen Effekte der Troposphäre und der Ionosphäre.

Troposphäre

Die größten Auswirkungen der Troposphäre können vermieden werden, indem Sie eine Elevationsmaske für Ihren Empfänger vorschreiben und so die Signale von Satelliten in niedriger Höhe vermeiden. Mit einer Elevationsmaske von 15 Grad können von einem Standort auf der Erde zu jedem Zeitpunkt 4-8 Satelliten gleichzeitig beobachtet werden. Die Troposphäre besteht aus dem “hydrostatischen (trockenen)” Teil und dem “feuchten” Teil, der den Wasserdampf enthält. Der trockene Teil macht 90 % der troposphärischen Brechung aus, während der feuchte Teil 10 % ausmacht. Die Modelle für die trockene Troposphäre sind jedoch genauer als die Modelle für die feuchte Troposphäre. Daher haben die Fehler in der feuchten Troposphäre eine größere Auswirkung auf die Pseudofelgenabweichung als die Fehler in der trockenen Troposphäre.

Ionosphäre

Einige Modelle versuchen, alle Effekte der Ionosphäre zu berücksichtigen, erfordern jedoch einen hohen Aufwand bei der Modellierung der stark zeitabhängigen Gesamtelektronenzahl der Atmosphäre. Ein Verfahren zur Beseitigung der Effekte erster Ordnung der Ionosphäre kombiniert die L1- und L2-Beobachtungswerte linear zu einem neuen Signal, das frei von ionosphärischen Effekten ist. Alternativ kann auch eine Korrektur eines der beiden Signale ermittelt werden. Der Beitrag der Ionosphäre zur Pseudoentfernungsabweichung erster Ordnung hängt mit dem Kehrwert der Frequenz im Quadrat zusammen.

GPS/WAAS (Wide Area Augmentation System) 

WAAS ist ein extrem genaues Navigationssystem, das für die zivile Luftfahrt entwickelt wurde. Vor WAAS verfügte das Nationale Luftraumsystem der USA (NAS) nicht über die Möglichkeit, allen Nutzern an allen Orten horizontale und vertikale Navigation für den Anflug zu bieten. Mit WAAS ist diese Fähigkeit nun Realität.

WAAS bietet Dienste für alle Flugzeugklassen in allen Flugphasen – einschließlich Streckennavigation, Flughafenabflüge und Flughafenankünfte. Dazu gehören auch vertikal geführte Landeanflüge unter Instrumentenwetterbedingungen an allen qualifizierten Standorten in der gesamten NAS.

Satellitennavigation – WAAS – So funktioniert es

Im Gegensatz zu herkömmlichen bodengestützten Navigationshilfen bietet WAAS Navigationsdienste für das gesamte nationale Luftraumsystem (NAS). Das WAAS stellt GPS/WAAS-Empfängern zusätzliche Informationen zur Verfügung, um die Genauigkeit und Integrität von Positionsschätzungen zu verbessern.

Wide Area Augmentation System – Wie es funktioniert

Die Signale der GPS-Satelliten werden im gesamten NAS an zahlreichen, weit verstreuten Wide Area Reference Stations (WRS) empfangen. Die WRS-Standorte werden genau vermessen, damit etwaige Fehler in den empfangenen GPS-Signalen erkannt werden können. 

Die von den WRS-Standorten gesammelten GPS-Informationen werden an WAAS-Master-Stationen (WMS) übertragen. Die WMS generiert jede Sekunde eine WAAS-Nutzermeldung. Diese Nachrichten enthalten Informationen, die es den GPS/WAAS-Empfängern ermöglichen, Fehler im GPS-Signal zu beseitigen, wodurch die Genauigkeit und Integrität der Ortung erheblich verbessert wird.

Die Nachrichten werden vom WMS an Uplink-Stationen zur Übertragung an Navigationsnutzlasten auf geostationären (GEO) Kommunikationssatelliten gesendet.

Die Navigationsnutzlasten empfangen die Nachrichten und senden sie dann mit einem GPS-ähnlichen Signal über das NAS. Der GPS/WAAS-Empfänger verarbeitet die WAAS-Ergänzungsmeldung im Rahmen der Positionsbestimmung. Das GPS-ähnliche Signal des Navigationstransponders kann auch vom GPS/WAAS-Empfänger als zusätzliche Quelle für die Berechnung der Position des Nutzers verwendet werden. GPS/WAAS-Empfänger können im gesamten NAS eine Positionsgenauigkeit von einigen Metern erreichen.

WAAS gibt den GPS/WAAS-Empfängern auch Hinweise darauf, wo das GPS-System aufgrund von Systemfehlern oder anderen Effekten unbrauchbar ist. Darüber hinaus wurde das WAAS-System nach sehr strengen Integritäts- und Sicherheitsstandards konzipiert: Die Nutzer werden innerhalb von sechs Sekunden benachrichtigt, wenn eine gefährlich irreführende Information ausgegeben wird, die zu einem Fehler in der Positionsschätzung des GPS/WAAS-Empfängers führen würde. Dadurch wird eine sehr hohe Zuverlässigkeit der berechneten GPS/WAAS-Empfängerposition gewährleistet.

WAAS – Wie es funktioniert

Hinweis: Diese Animation zeigt Schritt für Schritt, wie das WAAS funktioniert. Die Animation enthält keinen

WAAS – Vorteile

WAAS bietet Kosteneinsparungen für die Nutzer und macht kleinere Flughäfen und Gemeinden, die sie bedienen, erreichbar, indem es die Nutzung von WAAS auch bei niedrigen Wolkenhöhen und schlechten Sichtverhältnissen ermöglicht.

Interoperabilität

WAAS ist interoperabel mit anderen weltraumgestützten Erweiterungssystemen (SBAS) wie dem European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) und dem japanischen Multi-functional Transport Satellite (MTSAT) Satellite Based Augmentation System (MSAS). Die Liste der SBAS-Nutzer auf der ganzen Welt wird immer länger: Indien, China, Russland, Korea, Australien und Neuseeland haben sich für diese Technologie entschieden.

Um einen nahtlosen Betrieb zu gewährleisten, wurde jedes SBAS-System nach demselben Standard entwickelt, der im Anhang 10 der Internationalen Zivilluftfahrt-Organisation (ICAO) für Standards and Recommended Practices (SARPs) festgelegt ist. SBAS-Avionik, die in Übereinstimmung mit den RTCA-Mindeststandards für die Betriebsleistung (MOPS) entwickelt wurde, ist mit SBAS-Systemen, die den SARPs entsprechen, interoperabel, und die Avionik kann von einem SBAS-System auf ein anderes umschalten, wenn das Flugzeug verschiedene SBAS-Abdeckungen durchfliegt. Die SBAS-Dienstleister treffen sich regelmäßig in einer Interoperabilitäts-Arbeitsgruppe, um die SBAS-Implementierung zu erörtern und die Interoperabilität aufrechtzuerhalten.

Heute ist SBAS in vielen Teilen der Welt verfügbar, und die derzeitige SBAS-Dienstabdeckung wird von einer Reihe interoperabler Systeme bereitgestellt. Die weltweite SBAS-Abdeckung nimmt weiter zu.

Globales Positionsbestimmungssystem (GPS) – Satellitennavigation

Das Global Positioning System (GPS) ist ein weltraumgestütztes Funknavigationssystem, das aus einer Konstellation von Satelliten besteht, die Navigationssignale aussenden, sowie aus einem Netz von Bodenstationen und Satellitenkontrollstationen, die der Überwachung und Steuerung dienen. Derzeit umkreisen 31 GPS-Satelliten die Erde in einer Höhe von ca. 11.000 Meilen und versorgen die Nutzer mit genauen Informationen über Position, Geschwindigkeit und Zeit überall auf der Welt und unter allen Wetterbedingungen.

GPS wird vom Verteidigungsministerium (Department of Defense – DoD) betrieben und gewartet. Das National Space-Based Positioning, Navigation, and Timing (PNT) Executive Committee (EXCOM) berät das Verteidigungsministerium in GPS-bezogenen Angelegenheiten, die Bundesbehörden betreffen, um sicherzustellen, dass das System sowohl nationalen Prioritäten als auch militärischen Anforderungen gerecht wird. Das Verteidigungsministerium und das Verkehrsministerium führen gemeinsam den Vorsitz im EXCOM. Die US-Küstenwache fungiert als zivile Schnittstelle zur Öffentlichkeit für GPS-Angelegenheiten und nimmt Problemberichte von zivilen Nutzern entgegen. Die Federal Aviation Administration beaufsichtigt die Verwendung von GPS in der zivilen Luftfahrt und nimmt Problemberichte von Luftfahrtnutzern entgegen.

 (GBAS) Satellitennavigation – Bodengestütztes Erweiterungssystem (Ground Based Augmentation System) 

Das GBAS-Programm (Ground Based Augmentation System) wird von der FAA Technical Operations, Operations Support, NAS Modernization Group, Advanced Systems Design Service (ASDS)-Team beaufsichtigt.

Satellitennavigation – GBAS – Wie es funktioniert

Ein bodengestütztes Erweiterungssystem (Ground Based Augmentation System, GBAS) ergänzt das bestehende Global Positioning System (GPS), das im amerikanischen Luftraum eingesetzt wird, indem es Korrekturen für Flugzeuge in der Nähe eines Flughafens bereitstellt, um die Genauigkeit der GPS-Navigationsposition dieser Flugzeuge zu verbessern und ihre Integrität zu gewährleisten. Ziel der Einführung von GBAS ist es, eine Alternative zum Instrumentenlandesystem (ILS) zu schaffen, die das gesamte Spektrum des Anflug- und Landebetriebs unterstützt. Derzeitige nicht-bundesweite GBAS-Installationen bieten Präzisionsanflugdienste der Kategorie I (CAT-I). CAT-I-Präzisionsanflugdienste werden durch eine Reihe von ICAO-Normen ermöglicht, die international als GBAS Approach Service Type-C (GAST-C) bezeichnet werden. Die Federal Aviation Administration (FAA) hat zur Validierung der ICAO SARPS für GAST-D GBAS beigetragen, die GBAS-Anflüge auf CAT-III-Minima ermöglichen werden. Diese Standards traten 2018 in Kraft und bilden die Grundlage für jeden Anbieter, der eine FAA-Systemdesigngenehmigung für ein GAST-D GBAS anstrebt.

Eine GBAS-Bodenanlage verfügt in der Regel über drei oder mehr GPS-Antennen, ein zentrales Verarbeitungssystem (d. h. einen Computer) und einen VHF-Datensender (VDB), die sich alle lokal auf oder in der Nähe eines Flughafens befinden. Die GBAS-Bordausrüstung besteht aus einer GPS-Antenne, einer VHF-Antenne (Very High Frequency) und der zugehörigen Verarbeitungsausrüstung. An Bord des Flugzeugs ermöglicht die GBAS-Avionik im Rahmen der Multi-Mode-Receiver (MMR)-Technologie die gleichzeitige Implementierung von GPS, GBAS und ILS unter Verwendung gemeinsamer Antennen und Hardware. Die GBAS-Bodeneinrichtung nutzt die VHF-Funkverbindung, um das Flugzeug mit GPS-Korrekturen, Integrität und Anflugweginformationen zu versorgen.

Das GBAS empfängt mit Referenzantennen an bekannten vermessenen Positionen Signale von GPS-Satelliten. Die Referenzempfänger messen die Übertragungszeit zwischen dem GPS-Satelliten und den Referenzantennen, um die Entfernung zu schätzen, die das Signal zurückgelegt hat. Die GBAS-Bodenstation vergleicht dann die gemessene/geschätzte Entfernung mit der tatsächlichen Entfernung, die auf der Position des ausgestrahlten Satelliten und der tatsächlichen Position des GPS-Referenzempfängers beruht, und ermittelt den Fehler der Messung. Der von allen betriebsbereiten Referenzempfängern gemessene durchschnittliche Fehler stellt den Korrekturterm dar, den die GBAS-Avionik auf die von der GBAS-Avionik gemessenen Satellitenentfernungen anwenden muss.

Die GBAS-Bodenanlage überwacht auch die allgemeine Leistung der GPS-Satelliten. Die GBAS-Avionik nutzt nur GPS-Satelliten, für die sie gültige Bodenkorrekturen erhält. Wenn die GBAS-Bodenstation feststellt, dass es ein potenzielles Problem mit einem GPS-Satelliten gibt oder wenn sie einen GPS-Satelliten nicht überwachen kann, stellt sie die Übertragung von Korrekturen für diesen bestimmten Satelliten ein und verhindert damit, dass die GBAS-Avionik den Satelliten nutzt.

Die GBAS-Bodenstation sendet auch Integritätsparameter, die es der GBAS-Avionik ermöglichen, vertikale und laterale Fehlergrenzen für ihre berechnete GPS-Position zu berechnen. Diese Grenzen werden gemeinhin als Schutzniveau bezeichnet. Die Integritätswerte der Übertragung werden so festgelegt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass der tatsächliche Fehler größer ist als der berechnete Schutzpegel, weniger als 1 zu 10 Millionen beträgt. Die Avionik vergleicht diese berechneten vertikalen und lateralen Grenzen mit einem entsprechenden Satz von Warnstufen. Ist eine der berechneten Grenzen größer als die entsprechenden Warnschwellen, stellt die Avionik fest, dass die Positionierungsgenauigkeit des Flugzeugs für den Betrieb nicht geeignet ist. Die Warngrenzen sind in den ICAO-Normen definiert und basieren auf der Höhe des zulässigen Fehlers für einen bestimmten Betrieb.