Differential-GPS

Differential Global Positioning System (DGPS) ist eine Bezeichnung für Verfahren, die durch das Ausstrahlen von Korrekturinformationen die Genauigkeit der Navigation mittels GPS erhöhen können.

Funktionsprinzip

Referenzstation

Beim DGPS wird eine ortsfeste Referenzstation genutzt, die das GPS-Signal von den GPS-Satelliten empfängt. 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-Empfänger übermittelt.

DGPS-Empfänger

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

Verbreitung der Korrektursignale

Funk

Die Korrektursignale werden üblicherweise mittels Funk im UKW-Bereich oder für spezielle Anwendungen mittels (Funk-) Telefonverbindung an die DGPS-Empfänger übermittelt. Da sich die Fehler der einzelnen GPS-Satelliten nur langsam ändern, ist diese Übertragung nicht zeitkritisch. Für einfache DGPS-Korrektur reicht eine Korrektur alle 3 Sekunden aus, für hochgenaue DGPS-Korrektur sind sehr viel höhere Raten im Bereich von 0,1 Sekunden nötig. Neben den ortsfesten Referenzstationen gibt es das Differential-Signal auch über geostationäre Satelliten. Die werden wiederum über eine Referenzstation auf den jeweiligen Kontinenten gespeist. In Europa heist das System EGNOS und in Amerika WAAS. 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 Küsten- und Binnenbereich aus. Zentrale technische Behörde 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 Übertragung erfolgt nach dem AMDS-Verfahren parallel zum Rundfunkprogramm)
Bodenseesender (Mittelwelle: Sendefrequenz 666 kHz, die Übertragung erfolgt nach dem AMDS-Verfahren parallel zum Rundfunkprogramm)
DRS Beromünster (Mittelwelle: Sendefrequenz 531 kHz, die Übertragung erfolgt nach dem AMDS-Verfahren parallel zum Rundfunkprogramm)
Europäische 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 Verfügung gestellt werden. Das NTRIP-Protokoll bietet ein von der RTCM standardisiertes Verfahren zur Übertragung von DGPS- und anderen Navigationsdaten.

Weitere Information für Zuverlässigkeit

Auf Funk basierende Systeme sind prinzipbedingt nicht sicher und können durch Funkstörungen ausfallen. Bei GPS gibt es neben den natürlichen Funkproblemen noch die nicht auszuschließende Möglichkeit einer unangekündigten Verschlüsselung 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 ermöglichen, können neben den Korrektursignalen auch Signale über die aktuelle GPS-Güte von der Referenzstation an die DGPS-Empfänger übertragen werden. Kann der DGPS-Empfänger also die GPS-Signale empfangen, das Korrektursignal von der Referenzstation und zusätzlich die darin enthaltene Information, dass die GPS-Satelliten unverfälschte Signale aussenden, kann er von einer zuverlässigen Positionsmessung ausgehen. Ist eine dieser Bedingungen nicht erfüllt, dürfen die Positionsdaten nicht für sicherheitsrelevante Anwendungen herangezogen werden; in diesem Fall muss beispielsweise ein Flugzeugführer GPS-basierte Navigationssysteme und automatische Start- und Landesysteme abschalten und durch andere Methoden ersetzen.

Anwendung

Das Verfahren wird zum Beispiel auf kleineren Flugplätzen oder großflächig zur Vermessung in der Geodäsie angewendet.

Viele GPS-Empfänger 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 Geräte ist nicht besser als die normaler GPS-Geräte oder - falls zusätzlich ein Korrektur-Signal einer ortsfesten Referenzanlage vorliegt - nicht besser als die anderer DGPS-Geräte.

Geräte 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.

siehe auch

Weblinks

Fachstelle der Wasser und Schifffahrtsverwaltung für Verkehrstechniken Technische Informationen zu GPS / DGPS

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