Erklährung der Funktion von GPS
Aktuell gibt es zwei GPS System zwei weiter sind im Aufbau
GPS ist die Abkürzung für Globales positionierungs- System. Es ermöglicht mit einem entsprechenden Empfangsgerät (GPS Empfänger) weltweit die eigene geographische Position zu ermitteln. Fälschlicher weisse wird in den Medien GPS als das amerikanische System bezeichnet, GPS ist jedoch der über begriff über alle Systeme die eine Weltweite Positionsbestimmung ermöglichen.
Aktuell sind zwei solche System im Einsatz, das amerikanische NAVSTAR und das russische GLONASS Zwei weiter sind im Aufbau, das europäische Galileo und das chinesische Compass.
All diese Systeme sind gleich aufgebaut und zu einander kompatible. So kann ein aktueller Empfänger mehrer Systeme nutzen. Dies erhöht nicht unbedingt die Genauigkeit als viel mehr die Abdeckung des Signals. Ausser dem schaffen mehrer System eine politische Unabhängigkeit und Versorgungssicherheit auch in Krisen.
Wie funktioniert GPS
Das Amerikanische Navstar besteht aus rund 30 aktiven Satelliten die die Erde in einer Höhe von 20200 Km zwei mal pro Tag umrunden. Die Umlaufbahnen ergeben ein Netz das die Erde mehr oder weniger gleichmässig abdeckt und somit an fast allen Punkten der Erde mindestens vier Satelliten empfangbar sind. Jeder Satellit sendet in einem Signal seine Position und die Uhrzeit wann das Signal den Satelliten verliess. Der Empfänger empfängt das Signal und errechnet aus der Reisedauer die Distanz zum Satelliten. Aus den Daten von drei verschieden Satelliten ergibt sich eine Driangulation und damit eine Position auf der Erdoberfläche, nimmt man einen vierten Satelliten dazu ergibt sich die Position im freien Raum.
Die Störeinflüsse von GPS
Leider verfälschen einige Faktoren die Genauigkeit des Systems.Umlaufbahn: Die Umlaufbahn der Satelliten wird durch das Wanken der Erdachse und die Anziehungskraft des Mondes beeinflusst. Jeder Satellit überflieg einmal pro Erdumrundung eines von zwei Kontrollzentren wo er neu ausgerichtet wird.Zeit: Jeder Satellit besitzt eine hochgenaue Atomuhr, der Empfänger muss aus Kostengründen mit einem weniger genauen Chip die Zeit errechnen. Daraus kann eine Verfälschung entstehen. Die Messgenauigkeit spielt sich im Nanosekunden bereich ab. Ein Fehler von einer Hundertstel Sekunde würde einer Abweichung von 3000 Km entsprechen.Atmosphäre: Die Reisegeschwindigkeit der Signale ist theoretische Lichtgeschwindigkeit. Elektromagnetische Aktivität in der Ionosphäre. Kann das Signal bremsen.Gebäude: Da Satelliten mangels Energie eine schwache Sendeleistung haben, ist es wichtig, dass der Empfänger freie Sicht zum Satellit hat. Ansonsten kann es durch Reflektionen an Hindernissen zu Abweichung kommen.SA Code: Diese Verfälschung gibt es nicht mehr, sie war künstlich von den Betreibern der USA generiert worden und betrug ca. 30 m. All diese Faktoren verfälschen die Genauigkeit unsere Positionsbestimmung.
Stand der heutigen TechnologieDie Genauigkeit wird in erster Linie von der Qualität des Empfängers bestimmt. Grundsätzlich sind heute Genauigkeiten im Millimeter bereich für stehende, und im Zentimeter Bereich für bewegte Messungen möglich. Allerdings erreichen diese Werte nur die Higend Empfänger. Leider wird sich dies auch mit den neuen Systemen wie Galileo nicht ändern. Zwar bedeuten mehr Satelliten eine besser Abdeckung jedoch steigt dadurch die Genauigkeit nur unwesentlich.Higend Empfänger probieren mit raffinierten Tricks die Fehlerquellen zu umgehen. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten:Zeit: Die heutige Chiptechnologie ermöglicht immer genauere Uhren für den Empfänger.Atmosphäre: Hochwertige Empfänger empfangen nicht nur wie einfache GPS Empfänger die Trägerfrequenz von 1575.42 MHz sondern gleichzeitig eine zweite auf 1227.6 MHz da die elektrischen Teilchen in der Ionosphäre das Signal nicht auf jeder Frequenz gleich stark bremst kann aus der Differenz die Ungenauigkeit errechnet und Korrigiert werden. Hier spricht man dann von L1/L2 oder Dualfrequenz Empfängern.Gebäude: Durch vergleichen von mehren Signalen und deren Differenz können reflektierte Signale Ausgehfilter werden. Wie viele solcher Reflektionen empfangen werden wird im sogenannten DOP Wert vom Empfänger angezeigt. Wobei die Skala von 1 - 10 reicht . Je kleiner der Wert desto besser.
Nutzt ein Empfänger alle technischen Möglichkeiten so erreicht er über ein kurze Zeit ein Genauigkeit im cm bereich. Wird die gleiche Position allerdings über Tage oder Monate hinweg gemessen zeigt sich eine Abweichung von bis zu einem Meter. Dies ist das Resultat der Verschiebung der Satellitenbahnen im Bezug zur Erde, die sich aus Wanken der Erdachse und der Mondanziehungskarft ergibt. Um diesen Fehler zu beheben brauchen wir ein zweites System das Korrektursignal. Es schafft einen Bezug zu einer Fixen bekannten Position auf der Erde und Korrigiert so die Fehler. Es gibt verschiedene Korrektur System die mehr oder weniger genau sind. Das Grundprinzip aller Korrekturdienste ist gleich.
Ein hochgenauer Empfänger ( Referenzstation ) wird auf einer bekannten Position fest installiert. Er vergleicht sein Messung mit seiner eigen Position und sendet die Abweichungen zum Korrekturdienst nutzenden Empfänger. Dieser korrigiert sein eigen Messung um den Wert den ihm die Referenzstation schickt.. So bekommt eine ermittelt Position eine Georeferenz, das heisst einen Bezug zu einem festen Punkt (Referenzstation). Wird die Station nicht verschoben so lässt sich ein Punkt auch nach Jahren wieder genau finden. Je näher sich die Referenzstation beim eigen Empfänger befindet desto genauer ist die Korrektur. Fast jedes Land hat sein eigen Korrekturdienst, meistens wird er von den Landesvermessungsanstalten angeboten. Ausser den Staatlichen gibt es auch noch Privatrechtliche Korrekturdienste. Die Verbindung zwischen Referenzstation und Empfänger erfolgt über Satellit oder Mobiles Internet. Für die Landwirtschaft in der Schweiz sind aktuell drei Dienste von Interesse.
EGNOS: wird über ganz Europa angeboten und ist Kostenlos. Der Dienst kann von den Meisten Empfängern direkt über Satellit Empfangen werden EGNOS Empfänger erreichen eine Genauigkeit von +/-15-20cm von Spur zu Spur und +/- 1m über ein Jahr.
Omnistar: Wird in verschieden genauigkeitsstufen angeboten wobei die niedrigste Genauigkeit in etwa EGNOS entspricht und Kostenlos ist. Die Genauern Stufen sind Kostenpflichtig und erreichen ca +/- 10cm über ein Jahr.
Der Dienst wird über Satellit gesendet, Nur wenige Empfänger könne diese Signal empfangen.
RTK ist die genauste Korrektur. Im unterschied zu den oben beschriebenen Korrekturdiensten empfängt der mobile GPS Empfänger (Rover) nicht nur Daten, er verbindet sich mit der Basisstation und kommuniziert in beide Richtungen. Die Verbindung entsteht durch Funk oder mobiles Internet (gprs). Dabei ist die Basisstation maximal 30km vom Empfänger (Rover) entfernt. Für die Korrekter werden die Daten jedes Einzelnen Satelliten verglichen. Base und Rover wählen dazu Satelliten aus die von beiden empfangen werden. Sinkt die Anzahl Satelliten, die beide gemeinsam empfangen, unter fünf so bricht die RTK Verbindung ab.
Es gibt aktuell verschiedene RTK Verfahren. Am häufigsten kommt NTRIP zum Einsatz. Hier wird die Verbindung über das mobile Internet hergestellt. Die meisten RTK Dienste verwenden das VRS verfahren. Hier werden mehrer Basisstationen über ein Grossrechner vernetzt. Verbindet sich nun ein Rover mit dem Grossrechner so wird aus mehreren um in liegenden Stationen eine Virtuelle Basisstation errechnet die sehr nah bei ihm liegt.
Vorteil ist eine grosse Flächenabdeckung mit verhältnismässig wenigen Basisstationen. Der Empfänger kann sich
innerhalb des ganzen Netzes bewegen ohne manuell von Station zu Station zu wechseln. Nachteil, hohe Lizenzkosten und mögliche Genauigkeitseinbusse durch Virtuelle errechnung.