2.1 GPS-Systemsegmente



Das GPS-System läßt sich in drei unterschiediche Segmente gliedern, welche in ihrer Funktionalität aufeinander abgestimmt sind:

  • Weltraumsegment
  • Bodensegment
  • Nutzersegment

Letzteres ist im Gegensatz zu den beiden Betreibersegmenten stark nutzer- bzw. zweckdefiniert und damit technisch sehr variabel gestaltet. Alle Grundlagen sind sehr gut bei Schüttler, T. (2014), Bauer, M. (2011) und Mansfeld, W. (2009) dargelegt.

Das Weltraumsegment

Die Anwendung der GPS-Technik hängt wesentlich von der Konstellation und Charakteristik der Satelliten ab. Parameter wie Bahnhöhe, Bahnneigung, Symmetrie und Gleichverteilung der Satelliten definieren das sogenannte Weltraumsegment des GPS-Systems (Hartl & Thiel, 1984). Wie bereits angedeutet kreisen momentan 28 Block II/IIA-Satelliten (inkl. Reserve) in einem kreisförmigen, 20.183 km hohen Orbit um die Erde. Die einzelnen Bahnen sind 55° gegen den Äquator und 60° gegeneinander geneigt (vgl. Abb. 1.31). Jedes Orbit ist mit mindestens vier Satelliten bestückt, wobei jeder Satellit eines identischen Orbits 120° geogr. Breite gegen seinen Vor- bzw. Nachläufer versetzt ist. Diese spezielle Bahngeometrie gewährleistet, daß zu jeder Zeit ausreichend viele Satelliten vom GPS-Empfänger am Boden empfangen werden kann.

Die jeweilige aktuelle orbitale Systemkonfiguration der Satelliten kann auch online abgerufen werden …

Die Umlaufdauer eines jeden Satelliten beträgt 12 Stunden. Folge ist eine sich täglich im Vier-Minuten-Takt gegenüber UTC (Weltzeit = Universal Time Coordinated ) verschiebende Konstellation der Satelliten. Daraus ergibt sich heute i.d.R. eine Sichtbarkeit von durchschnittlich 10 Satelliten oberhalb 10° Beobachtungshöhe (Mindestsichthöhe!). Die Orbitalinformation wird vom Satelliten direkt an den Empfänger und an die Kontrollstationen gesandt, wobei die Zuschaltung einer Selective Availability (SA) für den zivilen Bereich bis vor kurzem eine Positionsbestimmung mit dem C/A-Code weiter einschränkte (vgl. Kap.2.3).

Auflistung einiger wichtiger Statusparameter der Block I, -II und -IIA/R NAVSTAR-GPS-Satelliten

In folgender Tabelle sind beispielhaft einige wichtige Statusparameter der durch Nummern gekennzeichneten Satelliten im Weltraumsegment des GPS-Systems wiedergegeben:

Navstar GPS Constellation Status   (98-07-07)

  Blk          NORAD   Orbit Launch
  II    Internat. Catalog   Plane   Date Clock
  Seq SVN ID Number   Pos'n   (UT) Available/ Decommissioned
Block I                  
  01 04 1978-020A 10684   78-02-22   78-03-29 85-07-17
  02 07 1978-047A 10893    78-05-13   78-07-14  81-07-16
  03 06 1978-093A 11054    78-10-06   78-11-13 92-05-18
  04 08 1978-112A 11141   78-12-10    79-01-08 89-10-14
  05 05 1980-011A 11690     80-02-09   80-02-27 83-11-28
  06 09 1980-032A 11783    80-04-26   80-05-16 91-03-06
  07         81-12-18   Launch failure  
  08 11 1983-072A 14189    83-07-14   83-08-10 93-05-04
  09 13 1984-059A 15039    84-06-13   84-07-19  94-06-20
  10 12 1984-097A 15271     84-09-08   84-10-03 95-11-18
  11 03 1985-093A 16129     85-10-09   85-10-30 94-04-13
                   
Block II                  
II-1 14 14 1989-013A 19802   E-1 89-02-14 Cs   89-04-15 05:02 UT
II-2 13 02 1989-044A 20061    B-3 89-06-10 Cs   20:46 UT 20:46 UT
II-3 16 16 1989-064A 20185    E-5 89-08-18 Cs   89-10-14 20:21 UT
II-4 19 19 1989-085A 20302    A-4 89-10-21 Rb   89-11-23 03:13 UT
II-5 17 17 1989-097A 20361  D-3 89-12-11 Cs   90-01-06 03:30 UT
II-6 18 18 1990-008A 20452  F-3 90-01-24 Cs   90-02-14 22:26 UT
II-7 20 20 1990-025A 20533      90-03-26   90-04-18 96-05-10
II-8 21 21 1990-068A 20724 E-2 90-08-02 Cs   90-08-22 15:00 UT
II-9 15 15 1990-088A 20830 D-2 90-10-01 Cs   90-10-15 00:39 UT
                   
Block IIA                  
II-10 23 23 1990-103A 20959    E-4 90-11-26 Cs 90-12-10 23:45 UT
II-11 24 24 1991-047A 21552    D-1 91-07-04 Rb   91-08-30 04:44 UT
II-12 25 25 1992-009A 21890    A-2 92-02-23   Cs   92-03-24 11:00 UT
II-13 28 28 1992-019A 21930    92-04-10   92-04-25  
II-14 26 26 1992-039A 22014    F-2 92-07-07 Rb   92-07-23 19:43 UT
II-15 27 27 1992-058A  22108    A-3 92-09-09  Cs 92-09-30 20:08 UT
II-16 01 01 1992-079A 22231    F-1 92-11-22 Cs 92-12-11 14:49 UT
II-17 29 29 1992-089A 22275    F-4 92-12-18 Rb   93-01-05 16:39 UT
II-18 22 22 1993-007A  22446    B-1 93-02-03 Cs 93-04-04 05:20 UT
II-19 31 31 1993-017A  22581    C-3 93-03-30 Cs 93-04-13 20:53 UT
II-20 07 07 1993-032A 22657    C-4 93-05-13 Cs 93-06-12 16:15 UT
II-21 09 09 1993-042A  22700    A-1 93-06-26 Cs 93-07-20 12:54 UT
II-22 05 05 1993-054A  22779    B-4 93-08-30   Cs 93-09-28 19:29 UT
II-23 04 04 1993-068A 22877    D-4  93-10-26 Cs 93-11-22 18:20 UT
II-24 06 06 1994-016A  23027    C-1 94-03-10 Cs 94-03-28 14:20 UT
II-25 03 03 1996-019A 23833    C-2 96-03-28 Cs 96-04-09 21:17 UT
II-26 10 10 1996-041A 23953    E-3 96-07-16 Cs 96-08-15 15:05 UT
II-27 30 30 1996-056A 24320    B-2 96-09-12 Cs 96-10-01 15:28 UT
II-28 08 08 1997-067A  25030    A-5 97-11-06 Rb 97-12-18 15:24 UT
                   
Block IIR                  
IIR-1 42  12 97-01-17     Launch failure      
IIR-2 43 13 997-035A  24876  F-5 97-07-23 Rb 98-01-31 00:57 UT

Notes: oben
1.  NORAD Catalog Number is also known as U.S. Space Command (USSPACECOM) object number and NASA catalog number.
2.  No orbital plane position = satellite no longer operational.
3.  Clock:  Rb = Rubidium; Cs = Cesium.
4.  Selective Availability (S/A) had been enabled on Block II satellites during part of 1990; S/A off between about 10 August 1990 and 1 July 1991 due to Gulf crisis; standard level re-implemented on 15 November 1991; occasionally off for test and other purposes.  Currently, PRN15 appears to have little or no S/A imposed.
5.  Anti-spoofing (A-S) was activated on 94-01-31 at 00:00 UT on all Block II satellites (ref. NANU 050-94042); occasionally off for test and other purposes.
6.  Decommissioning dates:
The decommissioning date for PRN06/SVN03 is the date of termination of operations of this satellite (ref. USNO) and is about 3 weeks later than other published dates for "deactivation". PRN20 has been unusable since 10 May 1996 according to NANU 118-96204 although it was set usable between 07:36 UT on 20 May 1996 and 22:42 UT on 21 May 1996 (ref. NANUs 094-96141 and 095-96142). PRN28 was last usable on 4 November 1996 at 16:34 UT (ref. NANU 179-96309). It was declared inoperable in May 1997.  It was removed from the broadcast almanacs of all satellites on 15 August 1997.  See Navstar GPS Constellation Status report of 6 November 1997 for more information.
7.  PRN number of SVN32 was changed from 32 to 01 on 93-01-28.
8.  PRN05 and PRN06 are equipped with corner-cube reflectors for satellite laser ranging (SLR).  SLR tracking of the satellites will permit onboard clock errors and satellite ephemeris errors in GPS tracking to be differentiated.
9.  PRN08 was declared operational on 18 December 1997 at 15:24 UT (ref. NANU 97121).
10. PRN13 was declared operational on 31 January 1998 at 00:57 UT (ref. NANU 98020).
11. PRN26's active clock was switched from a cesium to a rubidium on 10 March 1998 (ref. NANUs 1998030, 1998035, and USNO).
Compiled by Richard B. Langley , Dept. of Geodesy and Geomatics Engineering (University of New Brunswick).

Jeder Satellit ist nummeriert und gibt sich so auch dem Empfänger zu erkennen. Wie sich zeigt, sind die älteren Block I-Satelliten komplett ausgefallen oder wurden abgeschaltet; die Block II/IIA-Satelliten arbeiten hingegen in vollem Umfang und dienen der GPS-Navigation. Die 845 kg schweren Satelliten (Abb. 2.1.2) besitzen eine mittlere Lebensdauer von ca. 8 Jahren und werden über Solarflügel mit Strom versorgt. An Bord sind ein Radio-Transceiver, eine Cäsium/Rubidium-Atomuhr, div. Mikroprozessoren und weiteres Steuerequipment untergebracht. Jeder Satellit verfügt über ein eigenes, kleines Antriebssystem zur Lagekorrektur. Die Hauptaufgaben des GPS-Satelliten sind nach Brinkkötter-Runde (1995):

  • Empfangen und Speichern, der vom terrestrischen Kontrollsegment übertragenen Informationen
  • Einfache Datenverarbeitung mittels Mikroprozessoren
  • Vorhalten einer auf 10 -13 Sekunden genauen Uhrzeit (Atomuhr)
  • Bahnkorrekturen durch Steuerungselemente

Abb. 2.1.2: NAVSTAR-GPS-Satellit im Orbit  Brinkkötter-Runde (1995)

Das Kontrollsegment

Die GPS-Satelliten werden über unterschiedliche Bodenstationen in ihrer Funktionalität überwacht und gesteuert. Dieses sogenannte Kontroll- oder auch Bodensegment nimmt folgende Aufgaben war:

  • Kontrolle des Gesamtsystems
  • Datenverarbeitung und Datenübermittlung
  • Bestimmung der GPS-Systemzeit

    (Atomuhr)

  • Vorausberechnung der Navigationsdaten und Bahnephemeriden bzw. Steuerung der Satelliten

Die GPS-Satelliten werden über unterschiedliche Bodenstationen in ihrer Funktionalität überwacht und gesteuert. Das Operationelle Kontrollsegment (OCS) besteht aus der Master Control Station in Colorado Springs, CO, USA, drei Monitorstationen mit Bodenantennen in Diego Garcia, Ascension und Kwajalein sowie zwei weiteren Monitorstationen in Colorado und Hawaii (Abb. 2.1.3).

Abb. 2.1.3: Das GPS-Kontrollsegment  modifiziert nach Brinkkötter-Runde (1995)

Aufgabe der Monitorstationen ist das Empfangen der Signale vom Satelliten und das Berechnen der Entfernungsdaten. Diese werden dann an die Master Control Station weitergeleitet, welche dann die genauen Satellitenephemeriden ermittelt und evtl.Bahnkorrekturen einleitet. Zusammen mit der Zeitinformation (Atomuhren) werden diese dann über die Bodenantennen an den Satelliten zurückgesandt. All diese Informationen sendet der Satellit nun wiederum an die Empfänger der GPS-Nutzer, wo letztlich die Positionsbestimmung erfolgt.

Das Nutzersegment

Das Nutzersegment stellt von allen drei notwendigen Segmenten des Gesamtsystems den wohl breitgefächersten bzw. individuell verschiedenartigst gestalteten Hardware-Bereich dar. Prinzipiell wird das Segment aber immer durch einen GPS-Empfänger repräsentiert, der je nach Typ, Bauart und Anwendung (zivil oder militärisch) in technischen Details voneinander abweicht.

Die Hauptunterschiede bei GPS-Empfängern liegen in der Art der Signalakquisition und Datenverarbeitung: Einfrequenzempfänger arbeiten immer nur mit dem sog. L1-Signal (1575,42 MHz), Doppelfrequenzempfänger entsprechend mit dem L1- und L2-Signal (1575,42 + 1227,60 MHz). Nach Petersen (1990) können beide Typen in empfangstechnisch in drei Klassen eingeteilt werden:

  • Sequentielle Empfänger: Diese Empfänger verfügen über ein oder max. zwei Hardwarekanäle mit denen die Signale mehrerer Satelliten nur zeitversetzt empfangen werden können. Dies wirkt sich negativ auf die Dauer und Genauigkeit der Positionsbestimmung aus (entsprechende Geräte stammen aus der Frühzeit der Entwicklung und finden heute kam noch Verwendung!)
  • Multiplexempfänger: Obwohl dieser Typ nur einen Hardwarekanal besitzt, kann im Millisekundentakt auf die Signale aller verfügbaren Satelliten umgeschaltet werden, was zu einer Pseudo-Mehrkanalfunktionalität führt. Die Datenakquisition läuft rascher, die Position ist genauer (dieser Empfänger findet noch vereinzelt Einsatz, wird aber auch zunehmend vom Markt verdrängt)
  • Mehrkanalempfänger: Dieser heute am weitesten verbreitete Empfängertyp arbeitet synchron mit tw. bis zu mehreren hundert (!) Kanälen und ist auf alle weltweit verfügbaren Systeme (GPS, GLONASS, GALLILEO etc.) vorbereitet. Zusätzlich werden sequentielle Kanäle zur Überwachung und Auswahl aller zur Verfügung stehenden Satelliten herangezogen wird. Die Datenakquisition und Positionierung erfolgt in Echtzeit (realtime) und ist sehr genau (Abb. 2.1.3).

 

Leica Viva GS16/GNSS


Leica, Viva, GS14, GPS, GNSS, Vermessung

  • RTK+ - 555 Kanäle für mehr Signalverarbeitung und höhere Sensivität, neue ME7
  • SmartCheck - verbesserte RTK Algorithmen, neue ME7
  • SmartLink fill - weiter Messen für max. 10 Minuten auch bei RTK-Korrekturdatenausfall (geostationäre Satelliten)
  • SmartLink (full) - Messen ohne RTK-Korrekturdaten im Bereich 5cm
  • xRTK - ermöglicht eine Positionsbestimmung auch unter schwierigen Verhältnissen


  • intergriertes 3.75 GSM/GPRS/UMTS Modem mit selbst wechselbarer Telefonkarte (SIM-Karte)
  • optional integriertes UHF Modem für die Kommunikation über Funk (Senden/Empfang)
  • Anbindung an 3rd Party Software wie KIVID (Burg) oder GEOINT.mobile (Geosoft)
  •  

    Leica Zeno 10 & Zeno 15

     
    14 GPS-Kanäle, GIS Software
    • DGPS <0.4 m
    • SBAS <1.2 m
    • Post-Processing dm bis Sub-Meter

     

     

Abb. 2.1.3: Moderner, geodätischer Mehrkanalempfänger der Firma LEICA, Typ VIVA GS 16 und Handgeräte ZENO 10/15 für die mobile GIS Lösung (LEICA, 20017)

Neben der unterschiedlichen Anzahl der zum Empfang des Satellitensignals notwendigen Kanäle spielt auch die Art der  Daten-/Signalverarbeitung eine wichtige, typabhängige Rolle Brinkkötter-Runde (1995).

 Hier unterscheidet Seeber (1989)

  • codeabhängige Empfänger
von
  • codefreien Empfängern

Codeabhängige Empfänger können nur Signale verarbeiten, deren Code sie kennen um so an die Navigationinformation zu gelangen. Codefreie Empfänger benötigen diese Information nicht und können auch unterschiedlich verschlüsselte Signale auswerten. Handelsübliche GPS-Empfänger sind meist codeabhängige Geräte, die nur den ungenauen C/A-Code empfangen können. Genauere Ausführungen zu den Signalcodes sollen hier nicht erfolgen, werden aber in Kap.2.3 näher erläutert.

© 2009 Dr. Torsten Prinz