Differential Global Positioning System ( DGPS ; deutsch ?Differentielles Globales Positionierungssystem“ ) bezeichnet Verfahren, die durch das Ausstrahlen von Korrekturdaten (Bahn- und Zeitsystem) die Genauigkeit der GNSS - Navigation steigern konnen. Die Bezeichnung ist vom amerikanischen GPS abgeleitet, obwohl inzwischen auch Signale anderer Satellitennavigationssysteme in das Verfahren einbezogen werden.

Funktionsprinzip [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

Die Positionsbestimmung mittels GNSS basiert auf Laufzeit differenzen der Signale von mehreren Satelliten zu einem Empfanger, siehe Hyperbelnavigation .

Dabei wird vorausgesetzt, dass Entfernungsdifferenzen proportional zu den Zeitdifferenzen sind.

In der Praxis ergeben sich Ungenauigkeiten, weil die Signalgeschwindigkeit in der Tropo- und Ionosphare zeitlich und raumlich leicht variiert, siehe GNSS . Zudem sind die Bahnen und Uhrenfehler der Satelliten dem Empfanger nicht genau bekannt. Die Einflusse dieser Effekte sind fur benachbarte Empfanger gleich und lassen sich durch geeignete Auswertemethoden eliminieren. ^[1]

Mit zunehmendem Abstand der Empfanger zueinander wird die Korrektur weniger genau. Großere Abstande lassen sich uberbrucken, wenn zwischen mehreren Referenzstationen interpoliert wird. Zudem unterscheiden sich die Verfahren danach, ob Positionen oder Pseudostrecken zu einzelnen Satelliten korrigiert werden.

Referenzstation [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

Beim DGPS werden ortsfeste GNSS-Antennen, sogenannte Referenzstationen , benutzt, deren exakte Lage durch klassische Vermessungsmethoden bestimmt wurde. Aus der Abweichung der tatsachlichen und der empfangenen Position lassen sich die wirklichen Laufzeiten der Signale fur jeden Satelliten sehr genau bestimmen. Die Differenzen der theoretischen und der tatsachlichen Signallaufzeiten werden an die DGPS-Empfanger in der Umgebung ubertragen.

DGPS-Empfanger [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

Die DGPS-Empfanger korrigieren ihre Position mit diesen Korrektursignalen, wodurch sich die Position des Empfangers erheblich genauer berechnen lasst. Die fur die Korrektursignale notwendige Empfangsantenne ist oft in die GNSS-Antennen integriert. Fallt die (Funk-)Verbindung zur DGPS-Sendeanlage aus, schaltet der Empfanger in den unkorrigierten GNSS-Modus mit normaler Genauigkeit um.

Wie stark die Genauigkeit erhoht werden kann, hangt hauptsachlich von der Entfernung des DGPS-Empfangers von der Referenzstation ab. Die erreichbare Genauigkeit liegt je nach Qualitat des Empfangers und der Korrekturdaten zwischen 0,3 m und 2,5 m fur die Lage ( x , y ) und bei 0,2 m bis 5 m fur die Hohe. Hochqualitative Systeme werten zusatzlich die Phasenverschiebung der Tragerwelle aus (wie z. B. bei geodatischen Empfangern ublich) und erreichen so Genauigkeiten von wenigen Millimetern (± 1 mm bis ± 10 mm pro km Abstand zur Referenzanlage).

Offline-Methode (Postprocessing) [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

Man kann die Messdaten (die empfangenen Satellitensignale) entweder fur eine nachtragliche Auswertung aller Messpunkte aufzeichnen ( offline ) oder die Positionskorrekturen der Basisstation online an alle Rover ubermitteln. Erstere Methode wurde vor allem in der Anfangszeit von GPS verwendet, wird aber teilweise bis heute fur genaue Vermessungsnetze angewandt.

Die Berechnung erfolgt durch einen raumlichen Netzausgleich , der entweder auf den Signal- Laufzeiten oder auf ihrer Phasenmessung beruht. Wenn Genauigkeiten im Dezimeter- bis Meterbereich ausreichen, genugt auch die Ausgleichung der von den Empfangern direkt berechneten Positionen.

Fur weit ausgedehnte Vermessungsnetze kann es notwendig sein, diese in uberlappende Abschnitte zu unterteilen, die sogenannten Sessionen . Mit den vorhandenen Empfangern wird ein Teil der Punkte und ein bis drei Referenzpunkte gleichzeitig eingemessen; mittels letzteren kann das gesamte Netz a posteriori einheitlich ausgeglichen werden. Auch eine nachtragliche ? Anfelderung “ einzelner Netzteile ist moglich.

Im ersten GPS-Jahrzehnt, als die Empfanger noch sehr teuer waren, wurden auch Verfahren zur Genauigkeitssteigerung mit nur einem Empfanger entwickelt (?single receiver methods“), unter anderem das qGPS ( Quasidifferenz -GPS) der TU Wien, das die einzelnen Messpunkte durch wiederholtes Aufsuchen eines zentral gelegenen Bezugspunktes gegeneinander versteift.

Besonders geeignet erwies sich dafur der Garmin-Empfanger GPS II (1995), mit dem sich trotz Datenverschleierung ( Selective Availability ) die Genauigkeit von etwa ±50 m auf einige Meter verbessern ließ.

Die wiederholten Messungen auf dem Bezugs- bzw. Knotenpunkt (genannt ?reoccupation“) ermoglichten durch geeignete Ausgleichung nicht nur eine genauere Vernetzung, sondern auch die Bereinigung eines eventuellen zeitlichen Trends in den ermittelten GPS- Koordinaten der Messpunkte.

Online-Methoden (Korrektursignale) [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

Im Allgemeinen werden jedoch die Korrekturdaten der Referenzstation(en) direkt an alle Empfanger gefunkt oder ? im Falle regionaler Permanentstationen ? auch uber das Internet verbreitet.

Durch telefonische oder Funkubertragung der Korrekturdaten einer Basisstation kann jeder Rover sofort seine Ortungsgenauigkeit erhohen. Eine feinere Korrektur kann auch im Nachhinein erfolgen, wenn Rover und Basisstation alle Daten zur Positionsbestimmung aufzeichnen (Postprocessing).

Die Korrekturdaten konnen vom Anwender selbst erzeugt werden, wenn ein zweiter GPS-Empfanger vorhanden ist. Um aber auf Zweitgerate verzichten zu konnen, haben viele Lander permanente Referenzstationen eingerichtet, die von Anwendergruppen oder der amtlichen Landesvermessung betrieben werden (z. B. das SAPOS -Netz der deutschen Bundeslander). Dadurch sind auch mit nur einem Empfanger hochgenaue Positionsbestimmungen moglich, bei entsprechender Hardware sogar praktisch in Echtzeit .

• Fur Deutschland wurde SAPOS-HEPS (Hochpraziser Echtzeit Positionierungs-Service) entwickelt. Er bietet eine Lagegenauigkeit von ca. 1?2 cm und eine Hohengenauigkeit von ca. 2?3 cm.

Fur Messungen im SAPOS-System benotigt man Roverausrustung mit einem geodatischen, RTK -fahigen GNSS-Empfanger, sowie ein Modem / Handy fur den Empfang der SAPOS-Daten. Man kann sich dabei (unter Beibehaltung von Satellitenkontakt und Handyverbindung) von Punkt zu Punkt bewegen, ohne den Empfanger jedes Mal neu initialisieren zu mussen. Dies ermoglicht flexibles Arbeiten und man erhalt sofort die Koordinate eines Punktes im ETRS -Koordinatensystem. Als Beobachtungszeit pro Punkt genugen 5?20 Sekunden.
Vorteil: Wirtschaftlichkeit durch geringen Zeit- und Personalaufwand. Koordinaten direkt erhaltlich, ohne innendienstliche Nachbearbeitung. Keine Abhangigkeit von Tageszeit oder Wetter.
Nachteil: Koordinatenbestimmung in praziser Lage nur durch Koordinaten-Transformation.

• In anderen Landern wurden ahnliche Datendienste aufgebaut, die entweder amtlich, von Vermessungsdiensten oder von EVUs betrieben werden. In Osterreich sind es v. a. Kraftwerksbetreiber und das dGPS der Ingenieurburos, in der Schweiz das swipos der Landestopografie , in Deutschland neben Sapos Anbieter wie ALF, AMDS oder ascos.
• Bei der Methode der Pseudorange -Korrektur berechnet die Basisstation die Fehler der Strecken zu den Satelliten und ubermittelt diese an den Rover. So ist auch eine Korrektur moglich, wenn von der Basisstation und dem Rover unterschiedliche Satelliten empfangen werden. Es sind Genauigkeiten < 1 m moglich.
• Bei sehr genauen Messungen wird auch die Phasenlage der Satellitensignale ausgewertet. Dadurch sind Genauigkeiten von 1?10 mm pro km Abstand zur Basisstation erreichbar.
• Auf dem Meer ist eine geringere Genauigkeit ausreichend, doch eine Verbreitung uber Radio nutzlich. Fur die Bundesrepublik Deutschland werden Differential-Stationen von der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes betrieben. Sie arbeiten nach dem internationalen IALA -Standard und senden Korrekturdaten auf Mittelwelle fur den Kusten- und Binnenbereich aus. Zentrale technische Behorde ist das Amt fur Binnen-Verkehrstechnik .

Verbreitung der Korrektursignale [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

Funk [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

Die Korrektursignale werden ublicherweise uber Funk oder fur spezielle Anwendungen uber andere Datenubertragungswege an die DGPS-Empfanger ubermittelt. Da sich die Laufzeitunterschiede der einzelnen GNSS-Signale nur langsam andern, ist diese Ubertragung nicht zeitkritisch. Fur einfache DGPS-Korrektur reicht eine Korrektur alle drei Sekunden aus, fur hochgenaue DGPS-Korrektur sind sehr viel hohere Raten im Bereich von 0,1 Sekunden notig.

Neben den regionalen DGPS-Korrekturdaten, die jeweils von einer einzelnen Referenzstation abgeleitet und ausgesendet werden, gibt es auch Korrekturdaten fur große Gebiete, die uber geostationare Satelliten verbreitet werden ( SBAS ). Diese Daten werden aus den Empfangsdaten in einem Netz von Referenzstationen abgeleitet und fur kontinentweite Verbreitung uber geostationare Satelliten gesendet. In Europa heißt dieses satellitengestutzte DGPS-System EGNOS , in Amerika WAAS , in Japan MSAS und in Indien GAGAN .

Bodenbasierte Systeme ( GBAS ) werden in der Bundesrepublik Deutschland im Rahmen des Satellitenpositionierungsdienstes der deutschen Landesvermessung (SAPOS) betrieben. Ein weiterer Betreiber von Referenzstationen ist die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV). Deren Stationen arbeiten nach dem internationalen Standard der International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities (IALA) und senden Korrekturdaten auf Mittelwelle fur den Kusten- und Binnenbereich aus. Zentrale technische Behorde ist die Fachstelle der WSV fur Verkehrstechniken in Koblenz.

Folgende Referenzstationen konnen bzw. konnten in Deutschland genutzt werden:

DGPS-Korrektursender der WSV

Die WSV betreibt sieben einfache DGPS-Korrektursender (Mittelwelle 283,5 bis 315 kHz, alle drei Sekunden) nach IALA-Standard. Damit kann in der Schifffahrt die Schiffsposition auf wenige Meter genau bestimmt werden. ^[2]

fur See:

• der WSV Helgoland (intl. ?Dune“)
• Groß Mohrdorf (int. ?Wustrow“)

fur Binnengewasser:

• Zeven
• Bad Abbach
• Iffezheim
• Mauken
• Koblenz

Nicht mehr in Betrieb

• Deutschlandfunk Sender Donebach ( Langwelle 153 kHz, die Ubertragung erfolgte nach dem AMDS -Verfahren parallel zum Rundfunkprogramm) - Seit 1. Januar 2015 außer Betrieb.
• Bodenseesender ( Mittelwelle : Sendefrequenz 666 kHz, die Ubertragung erfolgte nach dem AMDS-Verfahren parallel zum Rundfunkprogramm). - Seit 8. Januar 2012 außer Betrieb.
• DCF 42 (Langwelle, dedizierter DGPS-Sender mit AMDS-Verfahren, Senderstandort: Mainflingen neben dem Zeitsender DCF77 ). - Seit Ende 2005 außer Betrieb.
• DRS Beromunster (Schweiz) (Mittelwelle: Sendefrequenz 531 kHz, die Ubertragung erfolgte nach dem AMDS-Verfahren parallel zum Rundfunkprogramm). - Seit 28. Dezember 2008 außer Betrieb.
• Europaische Sendestationen des Funknavigationssystems LORAN-C sendeten zusammen mit dem LORAN-C-Signal DGNSS-Korrekturdaten aus. Dieser als Eurofix bezeichnete Dienst sollte im gesamten Sendebereich des Northwest European LORAN -C System (NELS) verfugbar sein und sendete ungefahr alle zwei Sekunden. ^[3] Die Datenrate des damals neuen Standards eLORAN war ahnlich. Beide Verfahren wurden hauptsachlich im maritimen Bereich eingesetzt.

Internet [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

DGPS-Daten konnen, wie jedes andere Echtzeit-Datenformat, mit verschiedensten Methoden uber das Internet zur Verfugung gestellt werden. Das Ntrip -Protokoll bietet ein von der RTCM standardisiertes Verfahren zur Ubertragung von DGPS- und anderen Navigationsdaten. Da Navigation meist außerhalb kabelgebundener Internetanschlusse geschieht, ist hier eine Verbreitung uber WLAN und insbesondere Mobilfunk gemeint.

Weitere Information zur Zuverlassigkeit [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

Auf Funk basierende Systeme sind prinzipbedingt nicht sicher und konnen durch Funkstorungen ausfallen. Bei GNSS gibt es neben den naturlichen Funkproblemen noch die nicht auszuschließende Moglichkeit einer unangekundigten Verschlusselung oder absichtliche Fehler der GNSS-Signale durch den jeweiligen Betreiber, wie es lange Zeit beim amerikanischen GPS-System ublich war. Um trotzdem sicherheitsrelevante Anwendungen wie die Navigation von Flugzeugen zu ermoglichen, konnen neben den Korrektursignalen auch Signale uber die aktuelle GNSS-Gute von der Referenzstation an die DGPS-Empfanger ubertragen werden. Kann der DGPS-Empfanger also die GNSS-Signale empfangen, das Korrektursignal von der Referenzstation und zusatzlich die darin enthaltene Information, dass die GNSS-Satelliten unverfalschte Signale aussenden, kann er von einer zuverlassigen Positionsmessung ausgehen. Ist eine dieser Bedingungen nicht erfullt, durfen die Positionsdaten nicht fur sicherheitsrelevante Anwendungen herangezogen werden; in diesem Fall muss beispielsweise ein Flugzeugfuhrer GNSS-basierte Navigationssysteme und automatische Start- und Landesysteme abschalten und durch andere Methoden ersetzen.

Anwendung [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

Das Verfahren wird zum Beispiel beim Militar, in der Schifffahrt, beim Prazisionsackerbau und großflachig zur Vermessung in der Geodasie angewendet. Viele GNSS-Empfanger fur den Endanwender haben bereits in der untersten Preisklasse DGPS implementiert.

Luftfahrt [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

Seit 1998 ist Streckennavigation im Flugverkehr mittels GPS in Deutschland erlaubt. Dazu mussen die zugelassenen Gerate eine Zuverlassigkeitsprufung der Daten durchfuhren ( RAIM ), die den Empfang von mindestens funf Satelliten benotigt. Moderne Empfanger außerhalb der Luftfahrt haben heute 12 und mehr Empfangskanale.

Nichtprazisionslandeanfluge konnen mit GNSS als einziger Navigationsmethode absolviert werden. Es darf jedoch nur die horizontale Information verwertet werden, fur eine Prazisionslandung ist die Hohenmessung nicht genau genug fur die Fuhrung auf dem Gleitweg . Bodengestutzte Navigationshilfen sind hierfur nicht notig.

Mithilfe des SBAS namens EGNOS sollen Prazisionsanfluge bis zur Kategorie I moglich werden, bei einer Signalauffrischung alle 500 ms. Bei hoheren Anforderungen oder schwierigen Empfangsbedingungen sollen bodenbasierte Systeme, wie SAPOS, eingesetzt werden. Der hochprazise, kostenpflichtige Echtzeit-Positionierungs-Service ( HEPS ) dieses Systems ermoglicht eine horizontale Lagegenauigkeit von 1 bis 2 cm und eine Hohengenauigkeit von 2 bis 3 cm.

Winkelmessung [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

GNSS-basierte Verfahren zur Winkelmessung beruhen auf denselben Signalen wie die Ortsbestimmung, nutzen aber ein vollkommen anderes Messprinzip: Auf einem Antennentrager werden zwei Antennen mit definiertem Abstand montiert, deren Empfangssignale miteinander verglichen werden. Es wird kein Referenzsignal von einer ortsfesten Referenzanlage benotigt, sondern aus Antennenabstand und Phasenverschiebung kann direkt der Winkel der Antennen-Verbindungsachse zum Satelliten und, mit den Ephemeriden des Satelliten, auch der gegen die Nordrichtung bestimmt werden. Messgenauigkeiten von 0,01° bis 0,1° lassen sich erzielen.

Gerate dieser Art werden gelegentlich als elektronischer Kompass oder GPS-Kompass bezeichnet. Sie sind auf Grund ihres hoheren Gerateaufwandes und kleiner Stuckzahlen relativ teuer und wenig verbreitet. Verwendet werden sie beispielsweise auf Schiffen oder Baumaschinen.

Siehe auch [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

• aGPS ? Assisted Global Positioning System
• Differential-Omega (außer Betrieb seit 30. September 1997)

Weblinks [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

Commons : Differential Global Positioning System  ? Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Fachstelle der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung fur Verkehrstechniken Technische Informationen zu GPS/DGPS in der Schifffahrt
• u-blox .de: Essentials of Satellite Navigation (PDF; 6,0 MB)
• DGPS@home. Archiviert vom Original am 7. Marz 2017 ; abgerufen am 7. Marz 2017 (Projektidee, die DGPS-Daten per crowd-sourcing erheben und verteilen mochte, mit Consumer-Technik).  

Einzelnachweise [ Bearbeiten | Quelltext bearbeiten ]

1. ↑ Martin Asbeck, Stefan Druppel, Klaus Skindelies, Markus Stein: Vermessung und Geoinformation . Fachbuch fur Vermessungstechniker und Geomatiker. Hrsg.: Michael Gartner. Gartner, Solingen 2012, ISBN 978-3-00-038273-4 , S.   117 .  
2. ↑ WSV: Details zu DGNSS-Dienst fur die Schifffahrt
3. ↑ Wolfgang Augath, Wolfgang Lechner, Stefan Baumann: LORAN-C/ EUROFIX/ EGNOS-Integration. (Pdf, 249 kB) tu-dresden.de, abgerufen am 9. August 2015 .