GNSS - Positionsbestimmung per Satellit

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Satellitengestützte Positionierung ist mittlerweile aus dem Alltag nicht mehr weg zu denken. Was sich hinter dieser faszinierenden Technologie verbirgt, erfahren Sie im folgenden Abschnitt.

Die Satellitensysteme

Der Begriff „Global Navigation Satellite System“ (GNSS) vereint

  • das US-amerikanische Global Positioning System (GPS) und
  • das russische GLObalnaya NAvigatsioannaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS)
  • sowie das europäische GALILEO und
  • das chinesische BEIDOU-System

zu einem globalen Satellitennavigationssystem.

Globale Positionsbestimmung per Satellit

Die satellitengestützte Positionsbestimmung erfolgt mittels Laufzeitmessung: Jeder Satellit sendet ein Signal aus, versehen mit einem Zeitstempel und der aktuellen Satelliltenposition im Orbit. Der GNSS-Empfänger ermittelt die Laufzeit aus der Zeitdifferenz zwischen Sende- und Empfangszeitpunkt des Signals und errechnet die Entfernung zum Satelliten.

Um eine dreidimensionale Position bestimmen zu können, müssen von mindestens vier Satelliten Signale empfangen werden. Neben den drei Vektoren für die räumliche Koordinate gilt auch die Zeit aufgrund der zu ungenauen Uhr am Empfänger als Unbekannte. Die Koordinate des Nutzers wird schließlich durch einen so genannten räumlichen Bogenschlag ermittelt.

Genauigkeit der Positionsbestimmung

Die Genauigkeit der satellitengestützten Positionsbestimmung hängt ab von:

  • der lokal sichtbaren Satellitenkonstellation
  • genutzten Satellitensystemen
  • ionosphärischen und troposphärischen Störungen
  • Mehrwegausbreitungen (Signalreflexionen z.B. an Gebäuden)
  • nutzbaren Frequenzen (Ein-, Zwei- oder Dreifrequenzempfänger)
  • Hardwareeigenschaften (Signalaufbereitung, Verarbeitungsgeschwindigkeit, Algorithmen)

Ein GNSS-Empfänger erreicht üblicherweise eine Genauigkeit von 3 bis 10 Metern. Die erzielbare Genauigkeit hängt stark von den genannten äußeren und inneren Faktoren ab. Allein die mit der Sonnenaktivität zyklisch schwankenden ionosphärischen Störungen können einen Fehler von bis zu 5 Metern ausmachen.

Fehlerhaushalt

Der Fehlerhaushalt setzt sich bei durchschnittlicher Satellitenkonstellation, weitgehend freier Sicht zum Himmel und ohne Mehrwegausbreitung wie folgt zusammen:

  • ionosphärische Störungen: bis zu 5 Meter
  • troposphärische Störungen: bis zu 2 Meter
  • Satellitenbahnenfehler: bis zu 1 Meter
  • Satellitenuhrenfehler: bis zu 1 Meter
  • Empfängerhardware: bis zu 1 Meter

Einige Fehleranteile lassen sich korrigieren, wenn diese aktuell lokal bekannt sind. Dieser Ansatz wird bei DGNSS und RTK verfolgt.

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