Bundesamt für Kartographie und Geodäsie

Global Navigation Satellite Systems (GNSS)

Was für die Seefahrer früher Zeiten ein Traum war, ist heute Realität: Metergenaue Standortbestimmung auf der ganzen Welt. Dahinter stecken satellitengestützte Navigationssysteme wie GPS (USA), GLONASS (Russland), Galileo (Europa) und Beidou/Compass (China).

Einleitung

In der Geodäsie haben diese Systeme eine herausragende Bedeutung gewonnen - insbesondere die GPS-Verfahren. Sie ermöglichen es, sehr wirtschaftlich die VLBI- und SLR-Netze zu verdichten und das globale Referenzsystem bis in die praktischen Bereiche der Vermessung verfügbar zu machen. Mit geodätischen GNSS-Verfahren ist es möglich, Positionen besser als 1 cm und Bewegungen der Punkte, die zum Beispiel durch Plattentektonik verursacht werden, durch periodische Wiederholungsmessungen oder durch kontinuierliche Messungen zu erfassen.

Messprinzip

Bild zeigt das Messprinzip der Ortsbestimmung aus 4 Satellitensignalen Messprinzip Global Navigation Satellite Systems (GNSS)

Das Grundprinzip von GPS setzt voraus, dass von einem Empfänger auf der Erdoberfläche sogenannte Pseudostrecken (engl. pseudoranges) zu mindestens 4 Satelliten gleichzeitig ermittelt werden. Pseudostrecken setzen sich zusammen aus der wahren Strecke vom Empfänger bis zum Satelliten plus einem konstanten Wert "k". Kennt man die Positionen der Satelliten, so kann durch eine Art "Bogenschlag" die Position des Empfängers festgelegt werden. Die Satellitenpositionen werden durch sogenannte Ephemeriden (Bahndaten) beschrieben, die fortlaufend aus Beobachtungen von Bodenstationen gewonnen und entsprechend in die Zukunft prädiziert werden müssen. Voraussetzung dazu ist, dass sowohl das Gravitationsfeld der Erde, in dem der Satellit sich bewegt, als auch dass die Drehbewegungen der Erde bekannt sind.

Die Pseudostreckenmessung läuft auf eine Messung der Signallaufzeit hinaus. Hierbei sendet der Satellit codierte, zeitlich getaktete Signale aus, die ein Empfänger am Boden registrieren, decodieren und zeitlich einordnen kann. Da jedoch der Bodenempfänger zunächst nicht zeitlich mit der Satellitenzeit synchronisiert ist, ist die Laufzeit um den Uhrstand zwischen der Satellitenzeit und der Empfängerzeit verfälscht. Werden die Signale von mindestens 4 Satelliten empfangen, kann der Uhrenfehler des Empfängers und damit die Konstante "k" mitbestimmt werden.

Bei den geodätischen Anwendungen begnügt man sich jedoch nicht nur mit den sogenannten Code-Messungen, sondern man führt auch Phasenmessungen auf den Trägerwellen (L1, L2) durch. Die Phasenmessungen können als genaue Streckenmessungen interpretiert werden, wenn man wüsste, wie viele ganze Wellenzüge sich auf der Strecke vom Empfänger zum Satelliten befänden. Mit Hilfe geeigneter Auswertetechniken kann die unbestimmte Anzahl ganzer Wellenzüge gelöst und aus den Phasenmessungen genaue Strecken ermittelt werden. Damit sind Positionsbestimmungen mit einer Genauigkeit von besser als 1 cm möglich.

Internationale Netze

Die Genauigkeit von GNSS-Beobachtungen hängt wesentlich auch von der genauen Kenntnis der Satellitenbahnen ab. Hierzu dienen Netzwerke mit permanent beobachtenden Stationen, so genannten Referenzstationen, auf deren Grundlage präzise Ephemeriden berechnet werden.

Globale Netze

Das erste weltweit eingerichtete Netz war CIGNET, das seit 1987 für wissenschaftliche Arbeiten zur Verfügung stand. Wettzell war eine wesentliche Station im CIGNET. Anfang der 90er Jahre entstand daraus der IGS, der ein eigenes globales Netz mit hohen Anforderungen an die Beobachtungsstationen etablierte. Es wurden Standards für Beobachtungen, Datenfluss und Datenanalyse festgelegt.

Bild zeigt das IGS-Stationsnetz mit rot-gekennzeichneten BKG-Stationen IGS-Stationsnetz IGS-Stationsnetz mit BKG-Stationen in rot

Heute sind im Rahmen des IGS mehr als 350 Stationen in Betrieb, die hochgenaue Koordinatenzeitreihen erzeugen und damit den internationalen terrestrischen Referenzrahmen (ITRF) festlegen.

Daneben zählen zu den Produkten des IGS:

  • Satellitenbahnen
  • Bahnvorhersagen
  • Erdrotationsparameter
  • Atmosphärische Parameter
  • Uhrenfehler

Regionale Netze

In Europa wurde seit den frühen 1990er Jahren ein regionales Netz von etwa 240 permanent beobachtenden Stationen aufgebaut, das europäische Referenznetz EUREF Permanent Network

Das EPN stellt die europäische Verdichtung des IGS-Stationsnetzes dar und realisiert den europäischen Referenzrahmen EUREF. 15 dieser permanenten GNSS-Stationen werden vom Geodätischen Observatorium Wettzell betreut. Ziel der permanenten Messungen ist es, Zeitreihen der aktuellen ITRF-Koordinaten für die Referenzstationen abzuleiten, um zeitliche Veränderungen zu bestimmen und deren Ursache zu analysieren. Verstärkt wird daran gearbeitet, die Messungen auch für atmosphärische Untersuchungen zu nutzen, wie zum Beispiel dem Feuchtegehalt der Troposphäre. Hierzu sind möglichst aktuelle Auswertungen erforderlich, die echtzeitnahe Beobachtungsdaten ausgewählter Stationen benötigen.