RZ008 Satellitennavigation

Die technische Basis moderner Ortungssysteme von GPS bis Galileo

Satellitennavigation ist die vielleicht populärste Anwendung der Raumfahrt überhaupt. Seitdem die USA ihr GPS-System Anfang der 1990er Jahre für jeden nutzbar geschaltet haben, werden immer mehr Einsatzgebiete gefunden. Mit Galileo haben die Europäer ihr eigenes Navigationssystem in Planung, dass in den kommenden Jahren Schritt für Schritt in Betrieb genommen werden soll.

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Aufnahme:

Felix Antreich
Felix Antreich
Institut für Kommunikation und Navigation, DLR

Felix Antreich vom Institut für Kommunikation und Navigation des DLR erläutert im Gespräch mit Tim Pritlove die technischen Grundlagen und die Funktionsweise von GPS und Galileo und geht auf die zahlreichen zukünftigen Anwendungsfälle ein, die sich aus der steigenden Genauigkeit ergeben.

Themen: Ausbildung; Technische Voraussetzung zum Aufbau eines Satellitennavigationsnetzes; GPS; Intelligenz eines Navigationssatelliten; Kommunikation mit den Bodenstationen; Abstrahlungswinkel der Satelliten; Zeit- und Positionssynchronisation; Berechnung der Position im Empfänger; Einfluss der Atmosphäre; Navigations-Kaltstart und der Almanach; Assisted GPS; Differential GPS; D-GPS für Flughäfen; Satellitengestütze Korrektursysteme; EGNOS; Ausbau von GPS; Galileo und die Gründe für ein europäisches Navigationssystem; Systemintegrität; Geplante Genauigkeit von Galileo; Aufbauphase von Galileo; Kompatibilität und gleichzeitige Nutzung von Galileo, GPS und GLONASS; Anwendungen von Galileo; Hochpräzise GPS-Empfänger mit Mehrantennensystemen für urbane Umgebungen und im Wald; Empfängertypen bei Galileo; Dienstkategorien von Galileo; Navigation von Satelliten durch Satellitennavigation; Navigation auf dem Mond.

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38 Gedanken zu „RZ008 Satellitennavigation

  1. Wenn man so nett zu Hinweisen aufgerufen wird …
    Die Rückseite des Mondes liegt nicht immer im Schatten. Bei Neumond (von Erde aus gesehen) bestrahlt die Sonne die Rückseite des Mondes.

  2. Leider war Herr Antreich ein enttäuschend schlecht vorbereiteter und vor allem unmotivierter Gesprächspartner, der auf viele Fragen nicht mehr als ein Ja oder Nein zu bieten hatte, und jegliche Lust daran vermissen ließ, den interessierten Hörer über die wirklichen Details dieses sehr spannenden Themas aufzuklären.
    Die vorherigen Folgen waren interessant, gut strukturiert und äußerst detailliert. Aber schon bei den bisherigen Folgen hätte ich mir an vielen Stellen ein noch konkretere Erläuterung in manchen Details gewünscht.
    Dieses hohe Niveau hatte die Sendung über Satellitennavigation leider nicht zu bieten.
    Herr Pritlove war wie immer ein glänzender Gesprächsführer, der durch seine offensichtlich gute Vorbereitung und sein vehementes Nachhaken dann doch noch die eine oder andere Information in die Sendung tragen konnte.

    Ein hervorragender Podcast! Weiter so, und mehr Details bitte!

    • Dem kann ich leider nicht zustimmen. Ich fühle mich super informiert über GPS und Galileo nachdem ich den Podcast gehört habe. Hatte nicht den Eindruck, also könne Felix Antreich Fragen nicht beantworten. Er hat toll Rede und Antwort gestanden und es ist (zumindest für mich) alles verständlich herübergekommen.

      Danke Tim für deine tolle Arbeit!

    • Kann ich so nicht bestätigen.
      Das war sehr interessant und Felix hat sehr ausführlich geantwortet.
      Ein simples “ja” gabe es nur, wenn klar war, dass Tim dann eh “und warum” fragen wird. Das macht das Format ja auch so gut, es ist eine gute Mischung aus gemütlichem Talk und Wissenschaft.
      Es soll vermitteln, dass die Arbeit bei der ESA sehr vielfältig ist und das schafft der Podcast vorzüglich.
      Ach ja, und ich finde ein “das weiß ich nicht” viel besser als Geschwafel ohne Wissen. Es muss klar sein, dass Niemand dort von allem Ahnung hat, das ist immer eine Gemeinschaftsarbeit.
      Mein Kompliment!

      • Sehe ich genauso, super! endlich habe verstanden wie die ganze GPS Kiste funkt!Toll wäre auch hier ein Bild vom Gesprächspartner Felix! Man(n) macht sich doch so sein Bild.
        Weiter so, alles Podcast waren bisher super.Vielen Dank

  3. Was mir noch sehr fehlte, war die relativistische Zeit nach Einstein. Nämlich das die Zeit in den Satelliten anders geht als am Boden und man diesen Effekt, so kleiner er auch ist, berücksichtigen muss, weil sonst größere Fehler in der Ortsbestimmung am Boden entstehen.

  4. Meiner Meinung nach eine sehr unterhaltsame Ausgabe, ich empfinde das jetzt nicht als störend, wenn der Gesprächspartner nicht immer 102%ige Antworten geben kann. Sind ja auch nur Menschen und macht das ganze persönlicher.

    Zwei Fragen blieben für mich aber irgendwie unbeantwortet:
    – Warum braucht man jetzt 4 und nicht nur 3 Satelliten für eine eindeutige Position? Wurde öfters mal erwähnt, aber nicht erklärt.
    – Was nützen mir ultragenaue Uhren, wenn die Signalübertragung doch nur so langsam (50Hz?) geht? Oder sendet der Satellit erst eine Uhrzeit/Position fertig, und schaut dann für das nächste Signal nochmal auf die Uhr?

    • Hallo Theo

      Hier Antworten auf deine zwei guten Fragen:

      1) Um seine Position im Dreidimensionalen eindeutig mit Hilfe von gemessenen Abständen
      zu bekannten Punkten (Satelliten) zu bestimmen benötigt man 4 Messungen dieser Abstände.
      Diese gemsessen Abstände bilden um die bekannten 4 Positionen je eine Kugel und
      der Schnittpunkt dieser Kugeln bestimmt dann die eigene Position.
      In der Satellitennavigation wird ein Koordiantensystem verwendet, dass seinen Ursprung im Erdmittelpunkt hat.
      Die Satelliten umkreisen in diesem Koordinatensystem die Erde. Mit Laufzeitmessungen zu 3 Satelliten
      erhalten wir nun in der Regel eine zweideutige Lösungen. Eine dieser Lösungen
      liegt jedoch fast immer außerhalb der Nahumgebung der Erde und kann somit als unwahrscheinlich ausgeschlossen werden.
      Somit kann mit 3 Satelliten eine Position mit x,y,z-Koordinaten auf der Erde bestimmt werden.
      Da aber nun bei der Laufzeitmessung die Uhr im Empfänger und die Uhren auf den Satelliten nicht synchronisiert sind, kommt
      nun eine Weitere unbekannte ins Spiel, nämlich der Versatz der Empfängeruhr zu den Satellitenuhren, wobei
      die Satellitenuhren alle auf eine gemeinsame Zeitreferenz synchronisiert sind. Wir benötigen nun noch eine vierte Laufzeitmessung
      zu einem weiteren Satelliten um diese unbekannte Größe (Zeitversatz), die für alle 4 Stelliten gleich ist zu bestimmen.
      Wir können somit mit Hilfe von 4 Lauzeitmessungen zu 4 Satelliten ein Gleichungssystem mit 4 unbekannten
      Größen aufstellen und dann nach diesen Größen, nämlich x,y,z-Koordinate des Nutzers und Zeitversatz der Empfängeruhr zu den
      Satellitenuheren auflösen und damit die unsere Position berechnen.

      2) In der Navigationsnachricht wird alle 1.5s, bei jedem Begin eines neuen Rahmens (frame) ein Zeitstempel des Satelliten übertragen.
      Mit dieser Information und einer Messung des Restzeitversatzes im aktuellen Rahmen, kann der Empfänger einen Abgleich zwischen der Satellitenuhr seiner
      eigenen Uhr machen. aus diesem Abgleich wird dann die sogenannte Pseudoentfernung berechnet. Mit der unter 1) beschriebenen Bestimmung des
      Zeitbversatzes der Empfängeruhr zu den Sattelitenuhren wird dann die “echte” Entfernung zu den Satelliten und die Position des Empfängers bestimmt.
      Die Satellitenuhren müssen hoch genau und sehr stabil sein, da sie nicht permanent mit der Systemzeit synchronisiert werden. Es findet also ein gewisse Abweichung (mit ca. 1 ns
      Abweichung pro Tag) statt. Hierzu werden aber auch noch für jeden Satelliten Korreturdaten durch die Navigationsnachricht übertragen, die im Empfänger zu einer Korrektur
      dieses Satellitenuhrenfehlers genutzt werden. Die Empfängeruhr muss nicht so stabil sein, da mit jeder Positionsberechnung dieser Fehler korrigiert wird.

      Ich hoffe es wird dadurch nun klarer.

      Viele Grüße,

      Felix

  5. Schade dass zu so einem interessanten Thema die Qualität dieser Folge negativ aus der Reihe fällt. Viele der kniffligen und technisch so interessanten Aspekte wurden nur schwammig dargestellt oder mit halbwahren Nebensätzen abgetan.

    Die Gründe beispielsweise, warum vier Satelliten zur Ortsbestimmung benötigt werden, die tatsächliche Durchführung der Laufzeitmessung, die relativistischen Korrekturen … all das wurde nicht behandelt, und gerade darauf hatte ich mich am meisten gefreut.

    Aber gut. Der nächste wird bestimmt wieder besser. Unbedingt weiter machen. Danke!

    • Darauf hätte ich mich auch gefreut.

      Ich sehe das aber nicht so eng. Im Vergleich zu den anderen Podcasts gibt es bei dem Thema wahrscheinlich unter einigen Hörern eine wesentlich größere Vorbildung und entsprechend eine vielleicht unrealistische Erwartungshaltung. Irgendwie will ja die Folge das Thema ja auch denjenigen näherbringen, die sich mit dem Thema noch nicht beschäftigt haben.
      Es gab aber auch mindestens eine Stelle, an der ich den Eindruck hatte, das Tim ihn mit einer Nachfrage kalt erwischt hat. 😉

  6. Eine Information hätte ich noch gerne:

    Warum verwendet man keinen geostationären Orbit für die Navigationssatelliten?
    Wäre damit nicht alles einfacher, die Berechnungen würden viel mehr statische Komponenten enthalten?
    Die Endgeräte müssten wesentlich weniger Satelliten “im Blick” behalten.
    Liegt das an der Ausfallssicherheit?

  7. Danke erstmal für diese weitere spannende Folge zur Raumfahrt!

    Ich habe noch eine ungeklärte Frage zu GPS: Ich (und Bekannte von mir unabhängig) haben den Eindruck, dass ein handelsüblicher GPS Chip sich beim Start – konkret beim Laden der Bahndaten der einzelnen Satelliten (nicht Almanach), was normalerweise so 30-40s dauert – deutlich schwerer tut, wenn der GPS Empfänger in Bewegung ist.

    Die Geräte haben kein assisted GPS/Quickfix o.ä. Tricks.

    Konkretes Beispiel: Auf der Autobahn. Der Himmel ist ohne Abschattungen. (Dass bei Abschattungen durch Bitfehler die Übertragung länger dauert/neu aufsetzen muss, ist nachvollziehbar, aber unserer Meinung nach in dem Szenario nicht der Fall.)

    Leiden wir alle unter derselben Einbildung oder gibt es eine Erklärung für das Phänomen?

    Wir hatten schon die Idee, dass ein Dopplershift aufgrund der Bewegung das Problem sein könnte, weil womöglich für den Empfänger unerwartet – andererseits bewegen sich die Satelliten relativ zum Empfänger ja sowieso dauernd, und zwar erheblich schneller als ein Auto relativ zur Erde.
    Reicht vielleicht schlicht die Rechenleistung in der Situation nicht? Und wenn ja, wofür?

    Für dieses Phänomen, sofern es keine Einbildung ist, habe ich im Netz noch keine schlüssige Theorie gefunden.

    Ein anderer Punkt, der mir gerade einfällt: Bei stehenden Empfänger scheint die Position häufig im Rahmen der GPS Genauigkeit hin- und herzuzappeln während sie in Bewegung genauer zu sein scheint.
    Ist dieser gefühlte Gewinn an Genauigkeit in Bewegung ein Feature von den Empfängern, die einfach durch Extrapolation der bisherigen Bewegung das Ergebnis “glätten” oder gibt das System in Bewegung tatsächlich noch zusätzliche Daten her, die es erlauben die Position in Bewegung genauer zu ermitteln?

  8. Das Gefühl, dass es länger dauert, Navigon zum Arbeiten zu überreden, wenn man schon fährt als wenn man es vor Fahrtbeginn anschaltet, kenne ich auch.

    Mein Handy hat eh schon eher schlechten GPS Empfang im Auto. Ist man bereits unterwegs dauert’s meist Minuten, bis es anfängt zu navigieren – oder wenn man an einer roten Ampel anhalten muss.

    • Ampel? Da denke ich muss man differenzieren, ob der Empfänger während des Empfangs der Bahndaten freie Sicht hat. In der Stadt (Annahme, wg. Ampel) fährt man ja üblicherweise durch bebautes Gebiet, wodurch das Signal immer wieder abgeschattet wird und meine Erwartung ist dann, dass bei Fehlern in der Übertragung dieser ~30-40s Sequenz der Empfänger halt warten muss, bis die Sequenz für diesen Satelliten wieder von vorne beginnt – für den nächsten Versuch sie zu empfangen.

      In so einem Szenario wundert mich das nicht, dass das dann entsprechend lange dauert oder gar komplett scheitert. Ich (und andere) meinen aber diese Beobachtung der mühseligen Prozedur des Bahndaten Ladens auch bei komplett freier Sicht beobachtet zu haben, wie eben auch Brandenburger Autobahnen. Land platt, Sicht frei.

  9. Pingback: Podcast zum Thema Satellitennavigation | Bichsnsammler

  10. Super Folge, sehr informativ. Lockerer und zum Format passender Gesprächspartner, gute Gesprächsführung. Prima, danke für diesen Podcast.

    Und ehrlich gesagt frage ich mich, warum ich als Student nicht mein Glück bei der ESA oder dem DLR versucht habe, wenn man da so spanndende Sachen macht 🙂

  11. Ich hab mal eine Frage zur Mehrwegeausbreitung: kann man die Mehrwegeausbreitung nicht rausrechnen, indem man nur den Datensatz verwendet, der zuerst ankommt?

    • Es ist richtig, dass man die Mehrwegeausbreitung im Grunde “herausrechnen” kann. Dies bedeutet jedoch, dass ein wesentlich komplexerer Schätzer realisiert werden muss, der nicht nur die Signalparameter des direkten Pfades, sondern auch eine Parametrisierung der Mehrwegekomponenten schätzen muss. Dies bedeute wesentlich mehr aufwandt im Empfangsgerät. Im Allgemeinen ist dieser Schätzer jedoch nur asymptotisch effizient, was bedeutet, dass eine sehr lange Beobachtungzeit notwendig wird, um alle Parameter mit hinreichender Genauigkeit bestimmen zu können. Deshalb verwendet man hier Systeme mit mehreren Antennen, um in der Lage zu sein die Signalkomponenten räumlich trennen zu können.

  12. Sehr geehrte Damen und Herren,

    ich denke, die Antwort auf die Frage nach der Genauigkeit der Satellitenuhren war symptomatisch für den weiteren Verlauf dieses Gesprächs über Satellitennavigation: Verdammt super genau oder ultra verdammt super genau. An mehreren Stellen glitt die Antworten ins Ungenaue ab. Das war enttäuschend. Ich weiß auch nicht, wieso der Interviewpartner in diesem Fall ein wissenschaftlicher Mitarbeiter war und nicht ein langjähriger Experte für Satellitennavigation. Um noch eins zu sagen, ich finde diese Reihe außergewöhnlich interessant. Trotzdem bin ich der Meinung, daß Herrn Pritlove adäquate Gesprächspartner zur Verfügung gestellt werden sollten.

  13. Im Web, beispielsweise bei Wikipedia ist nachzulesen, dass es der Politik nicht gelungen ist, das Projekt Galileo in dem ursprünglich vorgesehenem Zeitrahmen zu verwirklichen. Demzufolge müsste Galileo schon jetz in Betrieb sein. Infolge dieser Verzögerungen ist nun angeblich die Situation entstanden, dass das chinesische System “Compass” schon vorher zum Zuge kommt und damit die für Galileo vorgesehenen Frequenzen besetzt. Nach dem Prinzip “Wer zuerst kommt, malt zuerst” seien diese Frequenzen damit blockiert. Dass Galileo dennoch weiter verfolgt wird, erscheint hier wie ein Widerspruch, zu dem sich im Web keine Auflösung findet. Leider ist der Podcast darauf nicht eingegangen.

    Ich würde mich daher freuen, wenn an dieser Stelle beantwortet werden könnte, inwieweit das Projekt Galileo durch das chinesische Projekt beeinträchtigt oder gar gefährdet ist.
    http://de.wikipedia.org/wiki/Galileo_%28Satellitennavigation%29#China:_Compass
    http://de.wikipedia.org/wiki/Compass_%28Satellitennavigation%29
    http://www.spiegel.de/wissenschaft/weltall/0,1518,672362,00.html

    • Hallo Jesper,

      der Fortgang des Projekts Galileo wird nicht durch das chinesische System Compass beeinträchtigt. Es gibt hier eine klare Regelung durch die ITU (International Telecommunication Union) oder durch bilaterale Abkommen zwischen den Systembetreibern. Eventuelle Probleme und Verstöße werden durch die ITU oder auf bilateraler Ebene geregelt. Frequenzbelegungen werden normalerweise bei der ITU angemeldet und müssen dann innerhalb einer Frist belegt werden. Galileo hat diese Fristen trotz einiger Verzögerungen im Projekt mit den Satelliten GIOVE-A und GIOVE-B eingehalten. Weitere Satelliten werden im Oktober 2011 gestartet.

      Viele Grüße,

      Felix

    • Danke, Thilo. Die Raumzeit-Folgen sind nicht flattr-bar, weil das eine Produktion im Auftrag von DLR und ESA ist und damit schon aus öffentlichen Geldern bezahlt. Du kannst aber Tim gerne unterstützten, siehe http://tim.geekheim.de/ – Wir sind uns bewusst, dass Tims Infrastruktur zu einem guten Teil auch Eurer (flattr-)Unterstützung zu verdanken ist. Daher auch von uns ein Dankeschön für Eure flattrs an Tim! — Henning (DLR)

  14. Pingback: Podcastvorstellung Raumzeit | spacefisch

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