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Navigationssystem Lexikon

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Differential-GPS (DGPS)

Differential Global Positioning System (DGPS) ist eine Bezeichnung für Verfahren, die mehrere GPS-Empfaenger zur Erhöhung der Genauigkeit verwenden. Bei dem Verfahren gibt es einen Empfaenger, dessen Position bestimmt werden soll (Rover) und mindestens einen weiteren Empfaenger, dessen Position bekannt ist (GPS-Basisstation). Eine Basisstation kann diverse Informationen über die Ursachen ermitteln, warum die mittels GPS bestimmte Position fehlerhaft ist, da deren Position bekannt ist. Mit diesen Informationen (Korrekturdaten) von einer Basistation kann ein Rover seine Genauigkeit erhoehen. Die erreichbare Genauigkeit ist u. a. vom Abstand zwischen Rover und Basisstation abhaengig.

Methoden des DGPS:

Bei dem einfachsten Verfahren uebermittelt die Basisstation ihren Positionsfehler an den Rover. Dieser korrigiert entsprechend seine Position. Dies funktioniert nur, wenn beide Empfaenger die gleichen Satelliten auswerten (dies ist nur über kurze Distanz und in gleicher Umgebung der Fall).

Bei der Methode der Pseudorange-Korrektur berechnet die Basisstation die Fehler der Strecken zu den Satelliten und uebermittelt diese an den Rover. So ist auch eine Korrektur möglich, wenn von der Basisstation und dem Rover unterschiedliche Satelliten empfangen werden. Es sind Genauigkeiten <1 m möglich.

Bei den sehr genauen Phasenmessungen wird folgendes Verfahren angewendet:(?). Auf diese Weise ist eine Genauigkeit von ± 1 bis ± 10 mm pro km Abstand zur Basisstation zu erreichen.

Die uebermittlung der Korrekturdaten von einer Basisstation zum Rover kann mittels Funk erfolgen. Ein Rover ist dann sofort in der Lage, seine Genauigkeit zu erhoehen. Auch im Nachhinein kann eine Korrektur erfolgen, wenn Rover und Basisstation alle Daten zur Positionsbestimmung aufzeichnen (Postprocessing).

Die Korrekturdaten können von einem Anwender selbst erzeugt werden (mittels eines zweiten GPS-Empfaengers) oder von div. Anbietern bezogen werden (ALF, AMDS, SAPOS, ascos usw.).

Um auf Zweitgeraete verzichten zu können, richtet die Landesvermessung der Bundeslaender in Deutschland ein Feld von Referenzstationen ein (SAPOS-Netz). Mit Hilfe der Daten dieses Netzes ist eine hochgenaue Positionsbestimmung mit nur einem Empfaenger möglich, bei Verwendung entsprechender Hardware sind hochgenaue Messungen in annaehernd Echtzeit möglich.

Fuer die Bundesrepublik Deutschland werden Differential-Stationen von der Wasser- u. Schifffahrtsverwaltung betrieben. Diese Stationen arbeiten nach dem internationalen IALA-Standard und senden Korrekturdaten auf Mittelwelle für den Kuesten- und Binnenbereich aus. Zentrale technische Behoerde ist die Fachstelle der WSV für Verkehrstechniken in Koblenz.

Funktionsprinzip

Referenzstation

Beim DGPS wird eine ortsfeste Referenzstation genutzt, die das GPS-Signal von den GPS-Satelliten empfaengt. Da die geographische Position der Referenzstation mit sehr hoher Genauigkeit bekannt ist, kann der Fehler bei der Positionsbestimmung durch GPS ermittelt werden. Der Fehler wird für jeden empfangenen GPS-Satelliten einzeln bestimmt und durch die Referenzstation mittels Funk an die DGPS-Empfaenger uebermittelt.

DGPS-Empfaenger

Jeder einzelne DGPS-Empfaenger empfaengt die GPS-Signale der GPS-Satelliten und zusaetzlich die Korrektursignale der Referenzstation. Mit den Korrektursignalen kann der DGPS-Empfaenger die fehlerhaften GPS-Signale korrigieren und so eine sehr viel bessere Positionsbestimmung durchfuehren als ohne Korrektursignale. Die für die Korrektursignale notwendige Empfangsantenne ist oft schon in die GPS-Antennen integriert. Damit kann der Empfaenger - für jeden Satelliten separat - die GPS-Signale korrigieren und auf diese Weise seine Positionsbestimmung verbessern. Faellt die (Funk-)Verbindung zur DGPS-Sendeanlage aus, schaltet der DGPS-Empfaenger in den normalen GPS-Modus ohne Korrektur um und verliert damit an Genauigkeit. Die erreichbare Genauigkeit liegt je nach Qualität des Empfaengers und der Korrekturdaten bei ca. 0,3-2,5m in der Ebene und bei ca. 0,6-5m bei der Hoehenmessung. Hochqualitative Systeme werten zusaetzlich die Traegerphase aus (wie z.B. bei geodaetischen Empfaengern üblich) und erreichen Genauigkeiten von nur wenigen mm (± 1mm bis ± 10mm pro km Abstand zur Referenzanlage).

Verbreitung der Korrektursignale

Funk

Die Korrektursignale werden ueblicherweise mittels Funk im UKW-Bereich oder für spezielle Anwendungen mittels (Funk-) Telefonverbindung an die DGPS-Empfaenger uebermittelt. Da sich die Fehler der einzelnen GPS-Satelliten nur langsam aendern, ist diese uebertragung nicht zeitkritisch. Fuer einfache DGPS-Korrektur reicht eine Korrektur alle 3 Sekunden aus, für hochgenaue DGPS-Korrektur sind sehr viel hoehere Raten im Bereich von 0,1 Sekunden noetig. Neben den ortsfesten Referenzstationen gibt es das Differential-Signal auch über geostationaere Satelliten. Die werden wiederum über eine Referenzstation auf den jeweiligen Kontinenten gespeist. In Europa heist das System EGNOS, in Amerika WAAS und in Japan MSAS. In der Bundesrepublik Deutschland werden Referenzstationen unter anderem von der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) betrieben. Diese Stationen arbeiten nach dem internationalen IALA-Standard und senden Korrekturdaten auf Mittelwelle für den Kuesten- und Binnenbereich aus. Zentrale technische Behoerde ist die Fachstelle der WSV für Verkehrstechniken in Koblenz.

Folgende Referenzstationen können in Deutschland genutzt werden:

• DGPS-Stationen der WSV (Standard der International Association of Lighthouse Authorities, IALA): Helgoland / Groß-Mohrdorf / Bad Abbach / Iffezheim / Mauken
• DCF42 (Langwelle, Senderstandort: Mainflingen)
• Deutschlandfunk Donebach (Langwelle 153 kHz, die uebertragung erfolgt nach dem AMDS-Verfahren parallel zum Rundfunkprogramm)
• Bodenseesender (Mittelwelle: Sendefrequenz 666 kHz, die uebertragung erfolgt nach dem AMDS-Verfahren parallel zum Rundfunkprogramm)
• DRS Beromuenster (Mittelwelle: Sendefrequenz 531 kHz, die uebertragung erfolgt nach dem AMDS-Verfahren parallel zum Rundfunkprogramm)
• Europaeische Sendestationen des Funknavigationssystems LORAN-C senden zusammen mit dem LORAN-C-Signal differenzielle Korrekturen zum GPS aus. Dieser als Eurofix bezeichnete Dienst soll im gesamten Sendebereich des Northwest European Loran-C System (NELS) verfügbar sein.

Es ist geplant, den ehemaligen DECCA-Sender in Zeven als DGPS-Sender zu nutzen.

Internet

DGPS-Daten können, wie jedes andere Echtzeit-Datenformat, mit verschiedensten Methoden über das Internet zur Verfuegung gestellt werden. Das NTRIP-Protokoll bietet ein von der RTCM standardisiertes Verfahren zur uebertragung von DGPS- und anderen Navigationsdaten.

Weitere Information für Zuverlaessigkeit

Auf Funk basierende Systeme sind prinzipbedingt nicht sicher und können durch Funkstoerungen ausfallen. Bei GPS gibt es neben den natuerlichen Funkproblemen noch die nicht auszuschließende Möglichkeit einer unangekuendigten Verschluesselung oder absichtliche Fehler der GPS-Signale durch den jeweiligen Betreiber, wie es lange Zeit beim amerikanischen GPS-System üblich war. Um trotzdem sicherheitsrelevante Anwendungen wie die Navigation von Flugzeugen zu ermoeglichen, können neben den Korrektursignalen auch Signale über die aktuelle GPS-Guete von der Referenzstation an die DGPS-Empfaenger übertragen werden. Kann der DGPS-Empfaenger also die GPS-Signale empfangen, das Korrektursignal von der Referenzstation und zusaetzlich die darin enthaltene Information, dass die GPS-Satelliten unverfaelschte Signale aussenden, kann er von einer zuverlaessigen Positionsmessung ausgehen. Ist eine dieser Bedingungen nicht erfuellt, dürfen die Positionsdaten nicht für sicherheitsrelevante Anwendungen herangezogen werden; in diesem Fall muss beispielsweise ein Flugzeugfuehrer GPS-basierte Navigationssysteme und automatische Start- und Landesysteme abschalten und durch andere Methoden ersetzen.

Anwendung

Das Verfahren wird zum Beispiel auf kleineren Flugplaetzen oder großflaechig zur Vermessung in der Geodaesie angewendet.

Viele GPS-Empfaenger für den Endanwender haben bereits in der untersten Preisklasse DGPS implementiert.

Winkelmessung

GPS-basierte Verfahren zur Winkelmessung beruhen auf demselben technischen Messprinzip, das aber vollkommen anders umgesetzt ist: Auf einem Fahrzeug werden zwei Antennen mit bekanntem Abstand zueinander montiert, die sich gegenseitig referenzieren. Es wird also kein Referenzsignal von einer ortsfesten Referenzanlage zur Korrektur herangezogen, sondern eine Fahrzeugantenne ist Referenzstation der anderen Fahrzeugantenne. Auch bei den Verfahren zur Winkelmessung werden nicht die kartesischen Koordinaten der Antennen miteinander verglichen, sondern die Laufzeitunterschiede für jeden Satelliten getrennt. Erst nach dem Laufzeitvergleich werden die Differenzsignale in kartesische Koordinaten umgerechnet. Damit kann sehr genau der Winkel der Antennen-Verbindungsachse gegen die Nordrichtung bestimmt werden. Messgenauigkeiten von 0,01° bis 0,1° lassen sich erzielen.

Die absolute Positionsgenauigkeit dieser Geraete ist nicht besser als die normaler GPS-Geraete oder - falls zusaetzlich ein Korrektur-Signal einer ortsfesten Referenzanlage vorliegt - nicht besser als die anderer DGPS-Geraete.

Geraete dieser Bauart werden gelegentlich als elektronischer Kompass oder GPS-Kompass bezeichnet. Sie sind - entsprechend ihrer hohen Kosten - wenig verbreitet, verwendet werden sie beispielsweise zur Lagemessung von Schiffen oder Baumaschinen.