imported>Curtis Newton: /* Arbeitsweise */ erg

2025-12-16T09:59:46Z

Arbeitsweise: erg

Neue Seite

[[Datei:Gnss bandwidth.svg|mini|hochkant=2|Frequenzen der verschiedenen GNSS (1176–1602 MHz)]]

Ein '''globales Navigationssatellitensystem''' ({{enS|''global navigation satellite system''}}) oder '''GNSS''' ist ein System zur [[Ortsbestimmung|Positionsbestimmung]] und [[Navigation]] auf der Erde und in der Luft durch den Empfang der Signale von [[Navigationssatellit]]en und [[Pseudolit]]en.

GNSS ist ein Sammelbegriff für Satellitensysteme wie
* '''[[Global Positioning System|NAVSTAR GPS]]''' (Global Positioning System) der [[Vereinigte Staaten|Vereinigten Staaten von Amerika]]
* '''[[GLONASS]]''' (Globales Satellitennavigationssystem) der [[Russland|Russischen Föderation]]
* '''[[Galileo (Satellitennavigation)|Galileo]]''' der [[Mitgliedstaaten der Europäischen Union|Europäischen Union]]
* '''[[Beidou (Satellitennavigation)|Beidou]]''' der [[Volksrepublik China]]

und verschiedener Ergänzungssysteme Europas, der USA, [[Quasi-Zenit-Satelliten-System|Japans]] und [[Indian Regional Navigation Satellite System|Indiens]]. NAVSTAR GPS ist seit 1995 voll funktionsfähig, GLONASS seit 1996, verlor dann aber altersbedingt in den darauffolgenden Jahren fast die Hälfte der Satelliten. Seit 2011 ist GLONASS wieder voll betriebsfähig. Der Vollausbau von Beidou wurde 2020 erreicht.

== Arbeitsweise ==
[[Datei:GPS Spheres.svg|mini|Schnittpunkt dreier Kugelflächen. Der zweite Schnittpunkt ist erdfern und daher nicht dargestellt.]]

Die Satelliten der GNSS-[[Satellitenkonstellation]] teilen über Funkcodes ihre genaue Position und Uhrzeit mit. Zur Positionsbestimmung muss ein Empfänger die Signale von mindestens vier [[Satellit (Raumfahrt)|Satelliten]] gleichzeitig empfangen. Im Empfangsgerät werden die [[Pseudostrecke|Pseudo-Signallaufzeiten]] gemessen (von den Satelliten zur Empfangsantenne inklusive Uhrenfehler des Empfängers) und daraus die aktuelle Position (inklusive der Höhe) und der Uhrenfehler ermittelt.

In einem Orbit von ca. 25.000 km wird eine Konstellation von 24 bis 30 Satelliten verwendet. Damit soll sichergestellt werden, dass die Empfangsgeräte – auch bei nicht vollkommen freier Sicht zum Horizont – möglichst immer Signale von mindestens vier Satelliten gleichzeitig empfangen können (bei [[Global Positioning System|GPS]] sind es 6 bis 12 Satelliten).

Durch stationäre Empfangsstationen kann die [[Ortsbestimmung|Positionsgenauigkeit]] verbessert werden. Sie übermitteln Korrektursignale ([[Differential Global Positioning System|DGPS]]) an die Nutzer. Von den Landesvermessungsämtern wird das deutsche [[Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermessung|SAPOS]]-System betrieben. SAPOS stellt drei verschiedene Signaldienste zur Verfügung, die eine Genauigkeit von bis zu unter 1 cm erreichen.

[[Satellite Based Augmentation System|Satellitengestützte Zusatzsysteme]], {{enS|Satellite-Based Augmentation Systems (SBAS)}}, sind das europäische [[European Geostationary Navigation Overlay Service|EGNOS]], das US-amerikanische [[Wide Area Augmentation System|WAAS]], das japanische [[MSAS]] und das indische [[GPS Aided Geo Augmented Navigation|GAGAN]], die die Korrektursignale über geostationäre Satelliten abstrahlen. Das chinesische System [[Beidou (Satellitennavigation)|Beidou]] befindet sich noch im Aufbau, das indische System [[Indian Regional Navigation Satellite System|IRNSS]] noch in Planung.

Einzelheiten der beim GPS verwendeten Technik finden sich auch in den Artikeln [[GPS-Technik]] und [[Hyperbelnavigation]]; die anderen oben genannten Systeme unterscheiden sich in unterschiedlichem Ausmaß davon.

=== Messpraxis ===
Der Satellitenstandort ändert sich ständig (bei GPS um knapp 3,9 km/s) und mit ihm die Entfernung des Satelliten zu einem bestimmten Punkt der Erde. Jedoch kann der Nutzer aus den in den Satellitensignalen enthaltenen Bahndaten ([[Ephemeriden]]) die Satellitenstandorte für jeden Zeitpunkt berechnen. Diese Bahndaten (bei GPS und [[Galileo (Satellitennavigation)|Galileo]] handelt es sich um [[Johannes Kepler|keplersche]] [[Satellitenbahnelement|Bahnelemente]], bei [[GLONASS]] um Koordinaten-Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvektoren) werden von den Bodenstationen regelmäßig abgeglichen (bei GPS etwa alle zwei Stunden).

Die Entfernung vom Satelliten zum Beobachter ergibt sich aus der Signallaufzeit. Jeder Satellit strahlt fortwährend seinen individuellen Code, die aktuelle Zeit und seine individuellen Bahndaten aus. Diese Sequenz wiederholt sich bei GPS und GLONASS jede Millisekunde. Der Empfänger handelt mittels einer [[Phasenregelschleife]] durch Laufzeit- und [[Doppler-Effekt|Dopplereffekte]] entstehende Zeit- und Frequenzverschiebungen ab.

Die so gemessene Zeitverschiebung entspräche bei genau synchronisierten Uhren im Satelliten und Empfänger der Laufzeit der Satellitensignale. Die Multiplikation dieser Laufzeit mit der Signalgeschwindigkeit (annähernd [[Lichtgeschwindigkeit]]) ergibt die Strecke vom Satelliten zum Empfänger.

Für eine Streckengenauigkeit von drei Metern müssen die Laufzeiten mit einer Genauigkeit von zehn Nanosekunden bestimmt werden. Anstatt den Empfänger aber mit einer entsprechend hochgenauen [[Atomuhr]] auszustatten, wird der Fehler der Empfängeruhr ermittelt und bei der Positionsberechnung berücksichtigt. Zur Bestimmung der vier Unbekannten (drei Raumkoordinaten und Empfängeruhrenfehler) benötigt man vier Satelliten. Dies führt zu vier Gleichungen mit vier Unbekannten.

Die ermittelten Koordinaten beziehen sich auf das Koordinatensystem des jeweiligen Navigationssystems; bei GPS beispielsweise auf [[World Geodetic System 1984|WGS84]]. Auch die ermittelte Zeit ist durch das Navigationssystem definiert; so weicht z. B. die [[GPS-Zeit]] um einige Sekunden von der Universalzeit [[Koordinierte Weltzeit|UTC]] ab, da [[Schaltsekunde]]n bei der GPS-Systemzeit nicht berücksichtigt werden. Diese werden seit 1980 etwa alle zwei Jahre hinzugefügt, so dass die Abweichung zurzeit (Stand: Januar 2017) 18 Sekunden beträgt.

Aus den Raumkoordinaten können die geographische Länge, geographische Breite und die Höhe über dem definierten [[Ellipsoid|Referenzellipsoid]] berechnet werden. Zu beachten ist jedoch, dass die verwendeten Koordinatensysteme von anderen gängigen Koordinatensystemen abweichen können, so dass die ermittelte Position von der Position in vielen, insbesondere älteren Landkarten bis zu einigen hundert Metern abweichen kann. Auch die per GNSS ermittelte Höhe und die Höhe „über dem Meeresspiegel“ können vom tatsächlichen Wert ([[Geoid]]) um etliche Meter abweichen.

=== Messabweichungen ===
[[Datei:Dilution of Precision.svg|mini|[[Schleifender Schnitt]] ]]
[[Datei:GPS Refraction.svg|mini|Laufzeitfehler durch [[Refraktion]]]]
[[Datei:GPS delay.svg|mini|Laufzeitfehler durch Winkel]]

Wie bei der Triangulation sollte das Volumen des [[Tetraeder]]s, das die Satelliten mit dem Beobachter an der Spitze aufspannen, möglichst groß sein; ansonsten verringert sich die erreichbare Positionsgenauigkeit ([[Dilution of Precision]], DOP). Befinden sich die Satelliten mit dem Empfänger in einer Ebene, das heißt vom Beobachter gesehen scheinbar auf einer Linie, ist keine Ortsbestimmung möglich. Eine solche Konstellation tritt jedoch praktisch nie auf.

Die Atmosphäre verändert die Signallaufzeit. Anders als bei der Troposphäre ist der Einfluss der [[Ionosphäre]] frequenzabhängig. Er lässt sich teilweise korrigieren, wenn der Empfänger Signale auswertet, die der Satellit auf unterschiedlichen Frequenzen sendet ([[Zweifrequenz-Empfänger|Zweifrequenz]]-Empfänger). Spätestens seit der Einführung des Smartphones [[Xiaomi Mi 8]] im Jahr 2018 stehen auch dem Laien Zweifrequenz-GNSS-Empfänger zur Verfügung.<ref>{{Literatur |Autor=Umberto Robustelli, Valerio Baiocchi, Giovanni Pugliano |Titel=Assessment of Dual Frequency GNSS Observations from a Xiaomi Mi 8 Android Smartphone and Positioning Performance Analysis |Sammelwerk=Electronics |Band=8 |Nummer=1 |Datum=2019-01 |ISSN=2079-9292 |DOI=10.3390/electronics8010091 |Seiten=91 |Online=https://www.mdpi.com/2079-9292/8/1/91 |Abruf=2022-02-26}}</ref>

Die Schwankungsbreite der [[Total electron content|Anzahl der freien Elektronen in der Ionosphäre]] verursacht einen Ortsfehler von bis zu 30 m. Um ihn auf unter 10 m zu reduzieren, übermitteln GPS-Satelliten sechs Parameter, die den aktuellen Ionosphärenzustand beschreiben. Kurzfristige [[Szintillation (Astronomie)|Szintillationen]] lassen sich damit jedoch nicht korrigieren.

Positionsgenauigkeit bei unkorrigierten Messwerten (''User Range Error'', URE):
{| class="wikitable" style=text-align:right
|- class="hintergrundfarbe6"
! Quelle
! Zeitfehler
! Ortsfehler
|-
| align=left | Satellitenposition || 6–60 ns || 1–10 m
|--
| align=left | [[Uhrenfehler|Zeitdrift]] || 0–9 ns || 0–1,5 m
|-
| align=left | [[Ionosphäre]] || 0–180 ns || 0–30 m
|-
| align=left | [[Troposphäre]] || 0–60 ns || 0–10 m
|-
| align=left | [[Mehrwege-Effekt]] || 0–6 ns || 0–1 m
|}

Die satellitenbedingten Fehler, also Satellitenposition und Zeitmessung, werden im Englischen als ''Signal in Space – User Range Error'' (SIS-URE) bezeichnet,<ref>{{Webarchiv |url=http://www.ion.org/search/view_abstract.cfm?jp=p&idno=7705 |text=Performance Analysis of the QZSS SIS-URE and user Positioning Accuracy with GPS and QZSS |wayback=20111230093456}}</ref> die Fehler bei der Wegausbreitung ''User Equivalent Range Error'' (UERE).

Die Genauigkeit nimmt zu, wenn mehr als vier Satelliten empfangen werden können. Diese Messung wird dann „überbestimmte Ortung“ genannt. Die Fehler lassen sich nachträglich durch Vergleich mit [[Referenzmessung]]en bis auf wenige Zentimeter verringern. Diese Art der Korrektur wird als Differential Global Navigation Satellite System (DGNSS) bezeichnet. Sie findet beim [[Differential Global Positioning System|Differential-GPS]] (DGPS) in [[Echtzeit]] statt, falls die Referenzdaten [[online]] zur Verfügung stehen.

Wertet man außerdem noch die [[Phase (Schwingung)|Phasen]] der Satellitensignale aus, lassen sich auch dynamisch relative Genauigkeiten von wenigen Zentimetern erreichen.

== Geschichte und Systeme ==
[[Datei:Launched GNSS 2014.jpg|mini|hochkant=1.5|Anzahl gestarteter GNSS-Satelliten von 1978 bis 2014]]
Als allererstes System kann man das US-amerikanische [[Transit (Satellitensystem)|Transit-]] oder NavSat-System bezeichnen. Es war von 1967 bis 1996 in Betrieb. Erste Konzepte für eine satellitengestützte Navigation entstanden aber schon, als der sowjetische Satellit [[Sputnik 1]] 1957 die Erde umkreiste: Aus der bekannten Position des Empfängers auf der Erde berechnete man über den Dopplereffekt des Radiosignals die Umlaufbahn des Satelliten. Die Umkehrung des Ansatzes (Satellit misst den Doppler-Effekt eines bodengestützten Senders) erlaubte ab 1988 mittels [[COSPAS-SARSAT]] die erste satellitengestützte Positionsbestimmung von Schiffbrüchigen und den Überlebenden von Flugunglücken. Heutige [[Notfunkbake]]n empfangen zusätzlich dazu GPS-Signale und senden die berechnete Position an das COSPAS-SARSAT-System.

Die militärischen Systeme [[Global Positioning System|NAVSTAR-GPS]] (kurz GPS) der USA und das russische [[GLONASS]] nennt man Systeme der ''ersten Generation''. Nach der Aufrüstung mit neuen Satelliten steht das GPS der ''zweiten Generation'' zur Verfügung. Es wird mit [[Galileo (Satellitennavigation)|Galileo]] vergleichbar sein, das ebenfalls zur ''zweiten Generation'' zählen wird. Im [[Europäische Weltraumorganisation|ESA]]-Sprachgebrauch steht ''GNSS-1'' für die ursprünglichen Systeme GPS und GLONASS, ''GNSS-2'' für Galileo und Systeme der zweiten Generation. Mit dem Begriff GPS III wird die komplette Überarbeitung aller Systembestandteile bezeichnet. Diese Neukonzeption wird bis zum endgültigen Aufbau der zweiten Generation dauern und Qualitätsverbesserungen in vielen Bereichen zur Folge haben.

Das japanische [[Quasi-Zenit-Satelliten-System]] (QZSS) soll die Ortung in Japans Häuserschluchten verbessern. Vom [[Volksrepublik China|chinesischen]] System [[Beidou (Satellitennavigation)|Beidou]] sind bereits zwanzig Satelliten im Umlauf.<ref>[[Liste der Navigationssatelliten]]</ref> In [[Indien]] unterstützt zumindest ein Satellit (GSAT-8) von [[Indian Space Research Organisation|ISRO]] seit Mitte 2011 GAGAN (''GPS Aided Geo Augmented Navigation'').<ref>{{Webarchiv |url=http://www.isro.org/satellites/gsat-8.aspx |text=''Geo-Stationary Satellite: GSAT-8.'' |wayback=20111013124455}}</ref>

Südkorea entwickelt das Korean Positioning System.<ref>https://pulse.mk.co.kr/news/english/11318696</ref>



== Weitere Anwendungen ==
GNSS-Satelliten senden nicht nur ein Radiosignal, sondern auch die Daten, welche für die Berechnung der exakten Position des Satelliten notwendig sind. Aus der Lokalisierung der Signalquelle und einem Vergleich mit der bekannten Position ergeben sich Hinweise auf die Beschaffenheit des Ausbreitungsmediums.

Mittels [[Radio-Okkultation]] lassen sich mit GNSS-Signalen Beobachtungen der Erdatmosphäre durchführen und mit [[GNSS-R]] Beobachtungen zur [[Reflektivität]] von Wasseroberflächen.

Da zwei GALILEO-Satelliten unglücklicherweise in eine elliptische Umlaufbahn gebracht wurden – nicht in die korrekte kreisförmige – verfügt man über zwei Atomuhren, welche regelmäßig im [[Gravitationsfeld]] der Erde auf- und absteigen. Dies erlaubte Physikern eine experimentelle Überprüfung der [[Allgemeine Relativitätstheorie|Allgemeinen Relativitätstheorie]].<ref>{{Cite web |title=Wayward Satellites Test Einstein’s Theory of General Relativity |url=https://www.scientificamerican.com/article/wayward-satellites-test-einsteins-theory-of-general-relativity/ |last=Gannon |first=Megan |language=en |date=2019-02-08 |website=[[Scientific American]] |access-date=2025-01-14}}</ref>

== Siehe auch ==
* [[Flugnavigation]]
* [[Liste der Navigationssatelliten]]
* [[Planzeiger]] zur Ermittlung und Übertragung der [[UTM-Koordinatensystem|UTM]] / [[MGRS]] Koordinaten auf [[Karte (Kartografie)|Topografische Karten]]

== Literatur ==
* Manfred Bauer: ''Vermessung und Ortung mit Satelliten. Globale Navigationssysteme (GNSS) und andere satellitengestützte Navigationssysteme.'' 6. Auflage. Wichmann, Berlin 2011, ISBN 978-3-87907-482-2.
* Werner Mansfeld: ''Satellitenortung und Navigation. Grundlagen, Wirkungsweisen und Anwendung globaler Satellitennavigationssysteme.'' 3. Auflage. Vieweg, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-0611-6.
* Hans Dodel, Dieter Häupler: ''Satellitennavigation.'' 2. Auflage. Springer, Berlin 2010, ISBN 978-3-540-79443-1.

== Weblinks ==
{{Wiktionary|Satellitennavigation}}
* [http://www.oosa.unvienna.org/pdf/publications/icg_ebook.pdf ''Current and Planned Global and Regional Navigation Satellite Systems and Satellite-based Augmentations Systems.'' UN Office for Outer Space Affairs, New York 2010] (PDF; 2,4 MB)
* {{Webarchiv |url=http://www.fvt.wsv.de/dgps/index.html |wayback=20080610021825 |text=Fachstelle der Wasser und Schifffahrtsverwaltung für Verkehrstechniken}}, Funknavigation
* {{Internetquelle |url=http://www.bg-special.com/download/BGS_16-21.pdf |titel=Vom Peilsender bis zu Galileo – Die Geschichte der Satellitennavigation reicht fast 100 Jahre zurück |werk=bg-special.com |abruf=2011-04-14 |datum=2005-06-28 |seiten=3 |format=PDF; 6,3 MB}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Navigationsleiste Satellitennavigationssysteme}}

{{Normdaten|TYP=s|GND=1023785544}}

[[Kategorie:Satellitennavigation]]
[[Kategorie:Satellitengeodäsie]]
[[Kategorie:Navigationssatellitenkonstellation| ]]
[[Kategorie:Flugnavigation]]
[[Kategorie:Reise- und Routenplanung]]

Globales Navigationssatellitensystem - Versionsgeschichte

imported>Curtis Newton: /* Arbeitsweise */ erg