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Differential Global Positioning System (DGPS)

Erstellt am: 05.01.2005 | Stand des Wissens: 12.04.2020
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Ansprechpartner
Bauhaus-Universität Weimar, Professur Verkehrssystemplanung, Prof. Dr.-Ing. Plank-Wiedenbeck

Das frei verfügbare Standard-Positioning-Service-Signal (SPS-Signal) des US-amerikanischen Satellitennavigationssystems (Global Positioning System, GPS) stellte Mitte der neunziger Jahre mit einer garantierten Genauigkeit von rund 100 Metern für gewisse Anwendungsbereiche eine qualitative Einschränkung dar. Neben der künstlichen Signalverschlechterung durch die selektive Verfügbarkeit (Selective Availability, S/A), bestehen auch zahlreiche natürliche Fehlereinflussgrößen. Um die Genauigkeit des Satellitennavigationssignals zu erhöhen, wurden Möglichkeiten zur Fehlerkorrektur entwickelt.
Die Genauigkeit des GPS lässt sich unter Einbezug eines weiteren GPS-Empfängers, dessen Koordinaten genau bekannt sind (Referenzstation), steigern. Durch nachträgliche Korrekturen der Messungen des mobilen GPS-Empfängers (Rover) im sogenannten "post-processing" können je nach verwendetem GPS-Empfänger Genauigkeiten im Bereich von wenigen Dezimetern bis Zentimetern erreicht werden [ITK15].
Abb. 1: Komponenten des DGPS für die Durchführung in Echtzeit

Um das differentielle Verfahren in Echtzeit durchführen zu können, muss eine Funkverbindung (Funk, Natel / Global System for Mobile Communication (GSM) und so weiter) zwischen der Referenzstation und dem Rover bestehen. Je nach verwendeten GPS-Messungen (Code oder Phase) spricht man dabei von DGPS mit einer Genauigkeit im Meterbereich oder Real-Time-Kinematic (RTK) mit einer Genauigkeit im Dezimeter- bzw. Zentimeterbereich [DoD01].
Das Fehlerkorrektursignal des DGPS wird bestimmt, indem die GPS-berechnete Positionsinformation einer Referenzstation mit der vermessenen, geodätischen Position des Messortes verglichen wird. Mit Hilfe dieser Methode können für räumlich beschränkte Gebiete, in denen vergleichbare meteorologische Störeinflüsse bzw. die gleichen Satellitenfehler die Signalqualität des Empfängers beeinflussen, vorhandene Fehler ermittelt werden. Die festgestellte Abweichung wird dann als vorhandene Fehlerkorrekturgröße an den Nutzer übermittelt [ITK15].
Das Prinzip der Fehlerminimierung durch Differential-Korrektur des DGPS lässt sich nur auf bestimmte Fehlergrößen anwenden. Die Fehlerlösung des Raumsegmentes kann durch die Bestimmung des Uhrenfehlers und der Satellitenbahnstörungen erreicht werden. Ebenso kann damit der Fehler der künstlichen Signalverfälschung (Selective Availability, S/A) ausgeschlossen werden. Weitere Verbesserungen werden durch die Behebung von Vorhersagefehlern der Ephemeriden (Kontrollsegment) und der Laufzeitverzögerungen in der Ionos- und Troposphäre erreicht. Die Mehrwegausbreitung und das Empfängerrauschen sind durch die DGPS-Technologie nicht beeinflussbare Fehlergrößen. Die Genauigkeit gegenüber dem konventionellen, frei verfügbaren SPS-Signal des GPS verbessert sich durch die DGPS-Technik von 100 Meter auf rund 10 Meter. Zudem ist die Integrität durch eine unabhängige Kontrolle der Einzelsatelliten verbessert [Prin09].
Auf dem DGPS-Prinzip beruhen die meisten Ergänzungssysteme der Satellitennavigation, die eine Verbesserung der Signalgenauigkeit zum Ziel haben. Zu unterscheiden sind die DGPS-Verfahren Weitbereichs- (beispielsweise Wide Area Augmentation System (WAAS), European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS)) und Nahbereichsergänzungssysteme (Local Area Augmentation System (LAAS), Pseudolites), die aufgrund ihres Anwendungsgebietes in der englischen Fachsprache als Wide-Area-Differential-GPS (WADGPS) und Local-Area-Differential-GPS (LADGPS) bezeichnet werden. Als Mittelbereichssystem wird das australische GNSS (Global Navigation Satellite System)-Regional-Ergänzungssystem (Ground-based Regional Augmentation System, GRAS) verstanden. Durch die Fehlergrößenzerlegung der Pseudo-Entfernungsmessung ist das Weitbereichssystem unabhängig von der lokalen Beschränkung [Prin09]. Die Übermittlung der Daten erfolgt nicht direkt von der Bodenkorrekturstation an den Empfänger, sondern wird mittels Satellitenübertragung für großräumige Gebiete verfügbar gemacht. Die Fehlergrößen werden für eine Region und nicht für einen lokalen Punkt bestimmt. Kleinräumig beschränkte Augmentierungssysteme erreichen höhere Genauigkeiten und sind deswegen für die Präzisionsanflugführung von größerer Bedeutung.
DGPS-Stationen kommen für vielfältige Anwendungen des Transportwesens zum Einsatz. So werden beispielsweise durch die US-amerikanische Küstenwache (United States Coast Guard, USCG) und die kanadische Küstenwache DGPS-Netzwerke betrieben, die zur Navigation im Küsten- und Hafenbereich verwendet werden. Für das US-amerikanische Festland befindet sich das Nationwide-Differential-GPS (NDGPS) im Aufbau [USCG19]. In der Bundesrepublik Deutschland wird für das Vermessungswesen durch das SAPOS (Satellitenpositionierungsdienst) eine Differentialkorrektur durch ein Referenzstationsnetzwerk bereitgestellt [SAPOS19]. In diesem Anwendungsgebiet bestehen insbesondere hinsichtlich der Integrität geringere Anforderungen als im Bereich der Luftfahrtanwendungen.
Ansprechpartner
Bauhaus-Universität Weimar, Professur Verkehrssystemplanung, Prof. Dr.-Ing. Plank-Wiedenbeck
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Bodenaugmentierte Systeme (Stand des Wissens: 12.04.2020)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?169830
Literatur
[DoD01] o.A. GPS Standard Positioning Service Performance Standard, 2001/10
[ITK15] Wolfgang Gusek Globale Navigations-Satellitensysteme - GNSS - Fehlerquellen, Erweiterungen und Verbesserungen, 2015
[Prin09] Prinz, Torsten Messung und Datenverarbeitung - Differentielles GPS, 2009
[SAPOS19] SAPOS (Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesverfassung), SAPOS-Qualitätsmanagement, 2019
[USCG19] US Coast Guard Navigation Center NDGPS General Information, 2019/09/25
Weiterführende Literatur
[Mans98b] Mansfeld, Werner Ergänzungen zum Global Positioning System (GPS), veröffentlicht in Satellitenortung und Navigation. Studium Technik, Vieweg+Teubner Verlag/ Wiesbaden, 1998, Online-Referenz doi:10.1007/978-3-322-92917-4_4, ISBN/ISSN 978-3-528-06886-8
Glossar
EGNOS
Der European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) soll durch die Nutzung zusätzlicher Satelliten und Bodenstationen eine verbesserte Signalverfügbarkeit bei Satellitenvigationssystemen unterstützen.
Global System for Mobile Communication
Der GSM-Standard (Global System for Mobile Communication) - ursprünglich ein rein europäisches Mobilfunkkonzept - hat inzwischen weltweite Verbreitung gefunden. In Deutschland nutzen die Mobilfunknetzanbieter Deutsche Telekom, Vodafone und Telefonica mit ihren Mobilfunknetzen gegenwärtig die Frequenzbereiche GSM 900 und GSM 1800.
Differential-GPS
Das Differential-GPS ist ein Signal des Satellitennavigationssystems GPS, welches durch eine Bodenstation mit Fehlerkorrekturdaten verbessert wird.
GNSS Globale Navigationssatellitensysteme (englisch Global Navigation Satellite System) oder GNSS dienen der weltweiten Positionsbestimmung, sowie der Koordinaten- und Zeitübermittlung.
Global Positioning System Global Positioning System (GPS), offiziell NAVSTAR GPS, ist ein globales Navigationssatellitensystem zur Positionsbestimmung und Zeitmessung. GPS basiert auf Satelliten, die mit kodierten Radiosignalen ständig ihre aktuelle Position und die genaue Uhrzeit ausstrahlen. Aus den Signallaufzeiten können GPS-Empfänger dann ihre eigene Position und Geschwindigkeit berechnen.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?126495

Gedruckt am Sonntag, 26. September 2021 03:23:29