Innovationen im Bereich der Satellitennavigation

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 A-GPS
2.1 Einführung
2.2 Funktionsweise
2.3 Vorteile
2.4 Anwendungsmöglichkeiten

3 EGNOS
3.1 Einführung
3.2 Segmente und Funktionsprinzip
3.3 Überdeckungsbereiche
3.4 Genauigkeit
3.5 Vorteile

4 GALILEO
4.1 Einführung
4.2 Phasen
4.2.1 Planung (erste und zweite Phase)
4.2.2 Fertigstellung (dritte Phase)
4.2.3 Betrieb und Wartung (vierte Phase)
4.3 Segmente
4.3.1 Bodensegement
4.3.2 Raumsegment
4.3.3 Benutzersegment
4.4 Frequenzen
4.5 Dienste
4.5.1 OS (Open Service)
4.5.2 CS (Commercial Service)
4.5.3 SoL (Safety of Life)
4.5.4 PRS (Public Related Service)
4.5.5 SAR (Search and Rescue)
4.6 Genauigkeit
4.7 GATE
4.8 Vorteile von GALILEO
4.9 Fazit

5 Zusammenfassung

1 Einleitung

Momentan existieren im Bereich der Satellitennavigation drei Hauptsysteme, die in Abbild-ung 1 wiederzufinden sind. Das vom US-Verteidigungsministerium entwickelte und um-gesetzte Navigationssystem NAVSTAR GPS (Navigation System with Timing and Ranging – Global Positioning System) wird heutzutage weltweit für die unterschiedlichsten An-wendungsbereiche wie z.B. im Auto zur Zielfindung, im Vermessungswesen oder beim Militär eingesetzt. GLONASS, das russische Pendant zu GPS, hat auch einen militärischen Hintergrund und basiert technisch auf den gleichen Prinzipien wie GPS. GLONASS wie auch GPS benötigen zum Regelbetrieb 24 Satelliten im Orbit, um eine weltweite Abdeckung zu gewährleisten. Aufgrund der kurzen Lebensdauer der GLONASS-Satelliten (3-4 Jahre) und momentanen Finanzierungsengpässen sind nur noch 13 GLONASS-Satelliten funktionsfähig. Die Europäische Union und die Europäische Weltraumorganisation (ESA) wollen mit dem Gemeinschaftsprojekt GALILEO ein eigenes autonomes System errichten. Die Entwicklung für dieses europäische Satellitennavigationssystem findet in zwei Stufen statt. Als erstes wird ein System mit dem Namen EGNOS, welches sich schon im Routinebetrieb befindet, er-richtet. EGNOS ist mit dem amerikanischen WAAS vergleichbar und stellt Korrekturdaten zu den Systemen GPS und GLONASS bereit. Die zweite Stufe stellt das System GALILEO selbst dar. Dieses wird durch den Einsatz von 30 Satelliten eine größere Genauigkeit auf-weisen als die bisherigen Satellitennavigationssysteme. GALILEO wird das erste zivile Sat-ellitennavigationssystem der Welt. Bei GALILEO, GPS und GLONASS ermittelt jeweils der mobile Benutzer mithilfe der Satellitensignale und dem Empfänger seine Position selbst. Solche Verfahren zur Positionsbestimmung werden Positioning genannt. Die Positions-bestimmung geschieht hier mittels der Basistechnik Time of Arrival (TOA). Die elektro-magnetischen Signale, welche von den Satelliten stammen, werden mit Lichtgeschwindigkeit an den Benutzer gesendet. Dieser kann die Entfernung zu den Satelliten aufgrund des Zeit-unterschieds zwischen Aussenden und Empfangen des Signals ermitteln. Eine weitere Basistechnik stellt Cell of Origin (COO) dar, welche aufgrund einer Zellenstruktur (z.B. GSM-Zelle) eine Positionsermittlung des Benutzers ermöglicht. Man spricht hierbei auch von Tracking.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Überblick der verschiedenen Satellitennavigationssysteme nach [RoJö05]

Assisted-GPS ist im Bereich der überlagerten Systeme und im netzwerkgestützten Bereich (Mobilfunk) angesiedelt, welches die Basistechniken der Positionsbestimmung COO und TOA kombiniert. A-GPS verwendet als Grundlage die GPS-Ortsbestimmung und als Erweit-rung das Mobilfunknetz.

2 A-GPS

2.1 Einführung

Immer mehr Mobiltelefone haben einen GPS-Empfänger eingebaut, um neben dem Tele-fonieren auch die aktuelle Position bestimmen zu können. Dabei ergeben sich aber folgende Einschränkungen in der Nutzung:

- Die erste Positionsbestimmung benötigt eine Zeit von 10-60 Sekunden (im schlechtes-ten Fall bis zu mehrere Minuten).
- Eine freie Sicht zu den GPS-Satelliten ist in städtischer Umgebung meist aufgrund von Abschattung nicht oder nur eingeschränkt möglich. In geschlossenen Gebäuden ist die Verfügbarkeit der Satellitensignale noch geringer.
- Bei eingeschaltetem GPS-Empfänger sinkt die Akkulaufzeit rapide ab, da dieser einen enormen Stromverbrauch hat.

Bei standortbezogenen Diensten auch LBS (Location Base Services) genannt ist eine genaue, kontinuierliche Ortsbestimmung nötig, um dem mobilen Benutzer z.B. einen Touristenführer anbieten zu können. Assisted Global Positioning System (A-GPS) ist zur Lösung dieser Ein-schränkungen entwickelt worden, indem es das Prinzip der GSM-Ortung mit der GPS-Navigation kombiniert. Dazu übermittelt das Mobilfunknetz sogenannte Hilfsdaten (auch Aiding-Daten genannt), welche eine schnellere GPS-Positionsbestimmung des mobilen Be-nutzers ermöglicht. Die Hilfsdaten bestehen aus präzisen Bahndaten, Satellitenkonstellation (Almanach), Funktionsfähigkeit der Satelliten und der Zeitinformationen. Um A-GPS nutzen zu können, ist ein eingebauter A-GPS-Chip im Mobiltelefon nötig, welcher eine Schnittstelle zur Aufnahme der Hilfsdaten besitzt.

2.2 Funktionsweise

Ein typisches A-GPS-System besteht aus einem globalen Referenznetzwerk von GPS-Empfängern, einem A-GPS-Server, welcher die Hilfsdaten zur Verfügung stellt, und A-GPS- fähigen Endgeräten (z.B. Mobiltelefon mit A-GPS-Chip). Die GPS-Referenzempfänger wer-den vom Mobilfunkbetreiber an Orten mit guter Sichtverbindung zu mindestens vier GPS-Satelliten installiert und empfangen die relevanten Satellitendaten. Der A-GPS-Server emp-fängt zuerst eine grobe Schätzung der Position des Mobiltelefons über ein GSM-Ortungs-verfahren (z.B. die Cell-ID-Methode) und sendet nach Anfrage die berechneten Hilfsdaten zu dem Mobiltelefon. [BoGe06]

Das grundlegende Funktionsprinzip wird in Abbildung 2 veranschaulicht und besteht aus folgenden Schritten:

1. Satelliteninformationen werden permanent von einem Referenznetzwerk beim Mobil-funkanbieter gesammelt und zum A-GPS Server übertragen.
2. Mobiltelefon sendet Anfrage an A-GPS Server und erhält die Hilfsdaten übers Mobil-funknetz (evtl. auch direkt über das Internet)
3. Nachdem die Hilfsdaten zur Verfügung stehen, können die GPS-Messungen vom GPS-Empfänger durchgeführt werden.
4. Die eigene Position kann nun schnell berechnet werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Funktionsprinzip von A-GPS [ALC07]

Diese Methode der Positionsbestimmung nennt man auch Mobiltelefon-basiert (terminal-basiert), da die Berechnung der Position, auf Grund der Hilfsdaten, vom Mobiltelefon selbst vorgenommen wird. Man spricht vom netzwerkbasierten A-GPS, wenn das Mobiltelefon die GPS-Signale (also Entfernungen zu den Satelliten) empfängt und die eigentliche Berechnung der genauen Position der A-GPS-Server vornimmt und an das Mobiltelefon zurückliefert. [ReUd04]

2.3 Vorteile

A-GPS-Chips wie vom Schweizer Hersteller ublox sind nur 8x8mm groß und daher ideal für Mobiltelefone, PDAs, persönliche Navigationsgeräte, Kameras, Mobiltelefone und andere batteriebetriebene Produkte einsetzbar. Der u-blox 5 unterstützt GPS, EGNOS, A-GPS, WAAS und MSAS und weist nur einen Stromverbrauch unter 50 mW auf und ist daher sehr gut für mobile Anwendungen geeignet. Aufgrund der zur Verfügung gestellten Hilfsdaten muss der GPS-Empfänger keinen kompletten Suchlauf nach den verfügbaren Satelliten starten, sondern kann akkuschonend direkt die verfügbaren Satellitensignale auswerten. Die Suchzeit für die erste Lokalisierung, auch Time to First Fix (TTFF) genannt, wird entschieden verringert. Normal benötigt ein GPS-Empfänger ca. 10 bis 60 Sekunden, mit A-GPS ist die erste Positionsbestimmung in weniger als 10 Sekunden möglich. Aufgrund der Hilfsdaten ist eine erhöhte Genauigkeit bei der Ortsbestimmung, sowie auch eine Ortung in städtischen Bereichen mit Abschattungen und im Indoor-Bereich (z.B. Gebäuden) möglich. Reine GPS-Empfänger benötigen mindestens immer die Sicht zu vier verfügbaren Satelliten. [UBL07]

A-GPS bietet zusammengefasst folgende Vorteile gegenüber GPS:

- Hardware fällt kleiner aus
- Akku von mobilen Endgeräten wird geschont
- Suchzeit für die Lokalisierung wird beschleunigt
- Erhöhte Ortungsqualität
- Auch schwächere Signale können ausgewertet werden

Diese Vorteile erlauben einige neue Anwendungen und Dienste gegenüber dem „normalen“ GPS.

2.4 Anwendungsmöglichkeiten

A-GPS ist vor allem für standortbezogene Dienste (LBS) geeignet und bietet schnellere Informationen, um z.B. auch eine Fußgängernavigation von Straßenecke zu Straßenecke zu ermöglichen. Mit A-GPS ist auch eine Identifikation der Straße möglich, was mit einer netzwerkbasierten Lokalisierung aufgrund der geringeren Genauigkeit nicht möglich wäre.

A-GPS wird in Asien schon seit einigen Jahren von Endusern verwendet, da auch fast alle Handymodelle über einen integrierten A-GPS-Chip verfügen und somit die Verbreitung ge-geben ist. Allerdings müssen die Mobilfunknetze mit erheblichem Aufwand nachgerüstet werden, was eine schnelle Verbreitung von A-GPS momentan noch verhindert. Die Firma Alcatel hat eine Technologie entwickelt, welche sich Enhanced A-GPS nennt, und auch EGNOS-Daten auswertet, um eine noch genauere Ortsbestimmung zu ermöglichen. Die A-GPS Funktionalität wird in naher Zukunft als notwendige Grundfunktion für private und professionelle GPS-Produkte betrachtet.

3 EGNOS

3.1 Einführung

EGNOS steht für European Geostationary Navigation Overlay Service und ist ein europäisches satellitengestütztes Differential-GPS. Es erweitert bestehende GNSS wie GPS und GLONASS durch drei geostationäre Satelliten, welche Korrektursignale und Integritäts-informationen aussenden. Der Fachbegriff für solch ein satellitengestütztes System lautet Sat-ellite Based Augmentation System (SBAS) und sorgt für eine Verbesserung der horizontalen und vertikalen Ortsauflösung und gibt Auskunft über die Qualität der Signale. Es ist ein ge-meinsames Projekt der ESA, der EU und der europäischen Flugsicherung Eurocontrol und befindet sich seit dem Jahre 2006 im Routinebetrieb. Es wird hauptsächlich in der Luftfahrt verwendet, um eine höhere Sicherheit im Luftverkehr, vor allem bei Start und Landung, zu bieten. EGNOS ist der Einstieg der Europäer in die Satellitennavigation und als Vorstufe zum europäischen Satellitennavigationssystem GALILEO anzusehen. [RoJö05]

3.2 Segmente und Funktionsprinzip

EGNOS besteht aus drei Komponenten: dem Bodensegment, dem Benutzersegment und dem Raumsegment. Diese Segmente sind auch in Abbildung 3 wiederzufinden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 : Architektur von EGNOS [MaWe04]

Das Raumsegment besteht aus drei geostationären Kommunikationssatelliten (GEO-Satelliten), welche sich in 36.000 km Höhe über dem Äquator befinden und einen festen Überdeckungsbereich (siehe Abbildung 4) besitzen.

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