Differential GNSS

Differential-GNSS ( DGNSS ), einschließlich Differential-GPS ( DGPS ), ergänzen und verbessern die Positionsdaten globaler Navigationssatellitensysteme (GNSS) wie des amerikanischen Global Positioning System (GPS) und ähnlicher Systeme. Ein DGPS kann die Genauigkeit der Positionsdaten um etwa das Tausendfache steigern, von ungefähr 15 Metern auf 1–3 Zentimeter .+1 ⁄ 4  Zoll). ^{[ 1 ]}

Ein DGPS-System besteht aus einem Netzwerk fester, bodengebundener Referenzstationen. Jede Referenzstation berechnet die Differenz zwischen ihrer hochpräzisen, bekannten Position und ihrer weniger genauen, satellitengestützten Positionsbestimmung. Die Stationen senden diese Daten lokal aus – typischerweise mit bodengebundenen Sendern geringerer Reichweite. Nicht ortsfeste (mobile) Empfänger nutzen diese Daten, um ihre Position um denselben Betrag zu korrigieren und so ihre Genauigkeit zu verbessern. Diese direkte Korrektur der Positionsbestimmungen wird als Beobachtungsraumkorrektur bezeichnet .

Die US-Küstenwache (USCG) betrieb zuvor in den Vereinigten Staaten ein DGPS-System auf Langwellenfrequenzen zwischen 285 kHz und 325 kHz in der Nähe wichtiger Wasserstraßen und Häfen. Der Betrieb wurde im März 2022 eingestellt. ^{[ 2 ]} Das DGPS-System der USCG war als NDGPS (Nationwide DGPS) bekannt und wurde gemeinsam von der Küstenwache und dem US Army Corps of Engineers betrieben . Es umfasste Sendestationen im gesamten Binnenland und an der Küste der Vereinigten Staaten, einschließlich Alaska, Hawaii und Puerto Rico. Die kanadische Küstenwache (CCG) ^{[ 3 ]} betrieb ebenfalls ein separates DGPS-System, stellte dessen Nutzung jedoch am 15. Dezember 2022 ein. Auch andere Länder verfügen über eigene DGPS-Systeme.

Ein ähnliches System, das Korrekturen von Satelliten im Orbit anstelle von bodengestützten Sendern überträgt, wird als satellitengestütztes Ergänzungssystem bezeichnet . Obwohl es ursprünglich unter dem Namen Wide-Area DGPS (WADGPS) vorgeschlagen wurde, handelt es sich tatsächlich um ein System, das Zustandsraumkorrekturen verbreitet , die ortsunabhängige (Satellitenuhr, Ephemeriden, Zustand usw.) und ortsabhängige (ionosphärische Verzögerung) Komponenten umfassen. ^{[ 4 ]}

Als GPS eingeführt wurde, befürchtete das US-Militär, dass feindliche Streitkräfte die weltweit verfügbaren GPS-Signale zur Steuerung ihrer Waffensysteme nutzen könnten. Ursprünglich ging die Regierung davon aus, dass das „Coarse Acquisition“-Signal (C/A) lediglich eine Genauigkeit von etwa 100 Metern (330  Fuß ) erreichen würde. Mit verbesserten Empfängerkonstruktionen lag die tatsächliche Genauigkeit jedoch bei 20 bis 30 Metern (66 bis 98  Fuß ). ^{[ 5 ]} Um diese unerwartet hohe Genauigkeit zu vermeiden, wurde ab März 1990 ^{[ 6 ] :11 das auf der L1-Frequenz (} 1575,42 MHz ) gesendete C/A-Signal absichtlich verschlechtert, indem sein Taktsignal um einen zufälligen Betrag verschoben wurde, was einer Entfernung von etwa 100 Metern (330  Fuß ) entsprach. Diese Technik, bekannt als Selective Availability (SA), beeinträchtigte die Nutzbarkeit des GPS-Signals für zivile Anwender erheblich. Eine genauere Navigation war für Benutzer von Dualfrequenz-GPS-Empfängern möglich, die auch die L2-Frequenz ( 1227,6 MHz ) empfingen. Die für militärische Zwecke vorgesehene L2-Übertragung war jedoch verschlüsselt und stand nur autorisierten Benutzern mit den Entschlüsselungsschlüsseln zur Verfügung.

Dies stellte ein Problem für zivile Nutzer dar, die auf bodengestützte Funknavigationssysteme wie LORAN , VOR und NDB angewiesen waren , deren Wartung jährlich Millionen von Dollar kostete. Die Einführung eines globalen Navigationssatellitensystems (GNSS) hätte eine deutlich verbesserte Genauigkeit und Leistung zu einem Bruchteil der Kosten ermöglicht. Die Genauigkeit des SA war jedoch zu gering, um dies realistisch umzusetzen. Das Militär erhielt mehrere Anfragen der Federal Aviation Administration (FAA) , der United States Coast Guard (USCG) und des United States Department of Transportation (DOT), den SA für die zivile Nutzung von GNSS freizugeben, blieb aber aus Sicherheitsgründen standhaft.

In den frühen bis mittleren 1980er Jahren arbeiteten mehrere Behörden an einer Lösung für das SA-„Problem“. Da das SA-Signal nur langsam verändert wurde, war der Einfluss seiner Abweichung auf die Positionsbestimmung relativ konstant – betrug die Abweichung beispielsweise „100 Meter nach Osten“, galt dies über ein relativ großes Gebiet. Dies legte nahe, dass die Übertragung dieser Abweichung an lokale GPS-Empfänger die Auswirkungen von SA eliminieren und somit Messungen ermöglichen könnte, die näher an der theoretischen GPS-Genauigkeit von etwa 15 Metern lägen. Zusätzlich stellten die Übertragungsverzögerungen in der Ionosphäre eine weitere wichtige Fehlerquelle bei GPS-Positionsbestimmungen dar , die ebenfalls gemessen und in der Übertragung korrigiert werden konnten. Dies führte zu einer Verbesserung der Genauigkeit auf etwa 5 Meter, was für die meisten zivilen Anwendungen mehr als ausreichend war. ^[1]

Die US-Küstenwache gehörte zu den entschiedensten Befürwortern des DGPS-Systems und experimentierte Ende der 1980er und Anfang der 1990er Jahre immer umfassender damit. Diese Signale werden auf Seewellenfrequenzen ausgestrahlt und können mit bestehenden Funktelefonen empfangen und in entsprechend ausgestattete GPS-Empfänger eingespeist werden. Fast alle großen GPS-Hersteller boten Geräte mit DGPS-Eingängen an, nicht nur für die Signale der US-Küstenwache, sondern auch für die Luftfahrt im UKW- oder AM- Frequenzband.

Ab 1996 wurden in begrenztem Umfang DGPS-Signale in „Produktionsqualität“ ausgesendet, und das Netzwerk wurde rasch ausgebaut, um die meisten US-amerikanischen Anlaufhäfen sowie in Zusammenarbeit mit der kanadischen Küstenwache den Sankt-Lorenz-Seeweg abzudecken . Es wurden Pläne zur flächendeckenden Erweiterung des Systems in den USA entwickelt, die sich jedoch als schwierig erwies. Die Qualität der DGPS-Korrekturen nahm im Allgemeinen mit der Entfernung ab, und große Sender mit großer Reichweite konzentrierten sich tendenziell in der Nähe von Städten. Dies bedeutete, dass dünn besiedelte Gebiete, insbesondere im Mittleren Westen und in Alaska, nur unzureichend von bodengestützten GPS-Stationen abgedeckt waren. Im November 2013 umfasste das nationale DGPS-System der US-Küstenwache 85 Sendestationen, die eine doppelte Abdeckung fast der gesamten US-Küste und der schiffbaren Binnengewässer einschließlich Alaska, Hawaii und Puerto Rico gewährleisteten. Zusätzlich bot das System eine einfache oder doppelte Abdeckung für einen Großteil des Binnenlandes der Vereinigten Staaten. ^{[ 7 ]} Stattdessen begannen die FAA (und andere), die Ausstrahlung der Signale über die gesamte Hemisphäre mittels Kommunikationssatelliten in geostationärer Umlaufbahn zu untersuchen. Dies führte zur Entwicklung des Wide Area Augmentation System (WAAS) und ähnlicher Systeme, die im Allgemeinen jedoch nicht als DGPS oder alternativ als „Wide-Area DGPS“ bezeichnet werden. WAAS bietet eine ähnliche Genauigkeit wie die bodengestützten DGPS-Netzwerke der US-Küstenwache, und es gab einige Überlegungen, dass letztere abgeschaltet werden, sobald WAAS vollständig betriebsbereit ist.

Mitte der 1990er-Jahre war klar, dass das SA-System seine ursprüngliche Funktion nicht mehr erfüllen konnte. DGPS machte es über den USA, wo es am dringendsten benötigt wurde, wirkungslos. Zudem war SA während des Golfkriegs 1990/91 vorübergehend abgeschaltet worden, da die alliierten Truppen kommerzielle GPS-Empfänger nutzten. ^{[ 8 ]} Dies zeigte, dass die Abschaltung von SA für die Vereinigten Staaten von Vorteil sein konnte. ^{[ 9 ]} Im Jahr 2000 wurde SA per Dekret von Präsident Bill Clinton endgültig abgeschaltet. ^{[ 10 ]}

Dennoch hatte sich DGPS bis zu diesem Zeitpunkt zu einem System entwickelt, das eine höhere Genauigkeit bot als selbst ein nicht-SA-GPS-Signal allein. Es gibt mehrere weitere Fehlerquellen, die ähnliche Eigenschaften wie SA aufweisen: Sie sind über große Gebiete und über einen angemessenen Zeitraum hinweg gleich. Dazu gehören die bereits erwähnten ionosphärischen Effekte sowie Fehler in den Satellitenpositionsdaten und die Taktabweichung der Satelliten. Je nach Datenmenge im DGPS-Korrektursignal kann die Korrektur dieser Effekte den Fehler deutlich reduzieren; die besten Implementierungen erreichen Genauigkeiten von unter 10 Zentimetern.

Neben dem fortgesetzten Einsatz der von der US-Küstenwache und der FAA geförderten Systeme haben zahlreiche Anbieter kommerzielle DGPS-Dienste entwickelt und verkaufen ihr Signal (oder entsprechende Empfänger) an Nutzer, die eine höhere Genauigkeit als die üblichen 15 Meter von GPS benötigen. Fast alle kommerziellen GPS-Geräte, selbst Handgeräte, bieten mittlerweile DGPS-Dateneingänge, und viele unterstützen auch WAAS direkt. In gewisser Weise ist DGPS heute fester Bestandteil der meisten GPS-Anwendungen.

Eine Referenzstation berechnet differentielle Korrekturen für ihren eigenen Standort und ihre eigene Zeit. Die Korrekturdaten umfassen den Fehler in der berechneten Position der Station und/oder den Fehler in der gemessenen Pseudostrecke, berechnet für jeden Satelliten. Die Korrekturdaten werden den Nutzern per Funk oder auf anderem Wege zur Verfügung gestellt.

Ein Nutzer empfängt einen DGPS-Korrekturdatenstrom (oftmals über einen separaten Funkempfänger; siehe Abschnitt „Netzwerke“ weiter unten zur Übertragung der DGPS-Daten) von einer nahegelegenen Station und kombiniert diesen mit GPS-Beobachtungen. Nutzer können bis zu 200 Seemeilen (370 km) von der Station entfernt sein.

DGPS wird im Prinzip in einem einfachen System eingesetzt, bei dem die Korrekturdaten in Echtzeit auf die Messwerte angewendet werden. Dies findet am häufigsten Anwendung bei der Navigation von sich bewegenden Fahrzeugen wie Flugzeugen und Schiffen.

• Handelt es sich um Korrekturen vom Typ Pseudostreckenkorrektur, wendet der Empfänger diese auf die scheinbaren Pseudostrecken an, bevor er die Position berechnet. Der Empfänger muss diese Art von Korrektur speziell unterstützen.
• Wenn es sich bei den Korrekturen um Positionskorrekturen handelt, werden diese angewendet, nachdem der Empfänger die Position mit dem normalen Verfahren berechnet hat.

In beiden Fällen ist die Berechnung unkompliziert.

Echtzeitkinematik ist ein fortschrittlicheres Verfahren. Anstelle einfacher Pseudostreckenmessungen (Code-Phasenmessungen) erfassen sowohl die Station als auch der Empfänger Phasenmessungen der GPS-Trägerwelle, um eine höher aufgelöste Schätzung der Pseudostrecke zu erhalten. Die Korrekturdaten weisen daher ebenfalls eine höhere Auflösung auf. Das Verfahren findet vor allem in der Vermessung Anwendung .

Einige Komponenten des Pseudostrecken- oder Positionsfehlers (beide im Beobachtungsraum ) variieren mit dem Ort: insbesondere jene, die durch Fehler in der Satellitenephemeridenberechnung sowie ionosphärische und troposphärische Verzerrungen verursacht werden . Aus diesem Grund nimmt die Genauigkeit von DGPS mit zunehmender Entfernung von der Referenzstation ab. Das Problem kann sich verschärfen, wenn Benutzer und Station keine gegenseitige Sichtverbindung haben – wenn sie also nicht dieselben Satelliten sehen können: Dies ist besonders problematisch, wenn die Korrektur positionsbasiert ist.

Der Positionsfehler wächst annähernd linear mit der Entfernung vom Sendestandort.

• Der US-amerikanische Bundesplan für Funknavigation und die IALA -Empfehlung zur Leistungsfähigkeit und Überwachung von DGNSS-Diensten im Frequenzband 283,5–325 kHz verweisen auf die 1993 vom US-Verkehrsministerium geschätzte Fehlerzunahme von 0,67 Metern pro 100 Kilometer (3,5 Fuß/100 Meilen) vom Sendestandort. ^{[ 11 ]}
• Genauigkeitsmessungen auf der anderen Atlantikseite, in Portugal, deuten auf eine Verschlechterung von lediglich 0,22 m/100 km (1,2 ft/100 mi) hin. ^{[ 12 ]}

DGPS kann sich auf jedes differenzielle Augmentationssystem beziehen. Die Korrekturdaten können über Bodenstationen (Ground-Based Augmentation System, GBAS), Satelliten und sogar über das Internet an den Empfänger übertragen werden. Viele Flughäfen betreiben einen Kurzstrecken-VHF-Funkdienst, der üblicherweise als GBAS oder LAAS für anfliegende Flugzeuge bezeichnet wird. Früher gab es zahlreiche landesweite bodengestützte Rundfunksysteme: Laut der US-Küstenwache betrieben 47 Länder Systeme, die dem US-amerikanischen NDGPS (Nationwide Differential Global Positioning System) ähnelten. Eine Liste findet sich in der World DGPS Database for Dxers. ^{[ 13 ]}

Das europäische DGPS-Netzwerk wurde hauptsächlich von den finnischen und schwedischen Schifffahrtsbehörden entwickelt, um die Sicherheit im Schärengebiet zwischen den beiden Ländern zu verbessern.

In Großbritannien und Irland wurde das System als Seezeichen eingeführt, um die Lücke zu schließen, die durch die Abschaltung des Decca-Navigationssystems im Jahr 2000 entstanden war. Es bestand aus einem Netzwerk von zwölf entlang der Küste verteilten Sendern und drei Kontrollstationen und wurde 1998 von den jeweiligen Leuchtturmbehörden (General Lighthouse Authorities, GLA) eingerichtet: Trinity House für England , Wales und die Kanalinseln , das Northern Lighthouse Board für Schottland und die Isle of Man sowie die Commissioners of Irish Lights für ganz Irland . Das System sendete im 300-kHz-Band, wurde getestet und um zwei weitere Sender erweitert, bevor es 2002 in Betrieb genommen wurde. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} Im März 2022 wurde das System außer Betrieb genommen. ^{[ 17 ]}

Effective Solutions bietet detaillierte Informationen und eine Karte der europäischen Differential-Bakensender. ^{[ 18 ]}

Das US-Verkehrsministerium beauftragte in Zusammenarbeit mit der Federal Highway Administration , der Federal Railroad Administration und dem National Geodetic Survey die US-Küstenwache mit der Wartung des landesweiten DGPS-Netzwerks der USA (NDGPS). Das System ist eine Erweiterung des vorherigen Maritimen Differential-GPS (MDGPS), dessen Aufbau die Küstenwache Ende der 1980er Jahre begann und im März 1999 abschloss. MDGPS deckte lediglich Küstengewässer, die Großen Seen und die Binnenwasserstraßen des Mississippi ab, während NDGPS die Abdeckung auf das gesamte Festland der Vereinigten Staaten erweitert. ^{[ 19 ]} Die zentrale Kommando- und Kontrollstelle ist das Navigationszentrum der US-Küstenwache in Alexandria, Virginia. ^{[ 20 ]} Derzeit gibt es 85 NDGPS-Standorte im US-Netzwerk, die vom Navigationszentrum des US-Heimatschutzministeriums verwaltet werden.

Im Jahr 2015 baten die US-Küstenwache (USCG) und das US Army Corps of Engineers (USACE) um Stellungnahmen zu einer geplanten schrittweisen Abschaltung des US-amerikanischen DGPS-Systems. ^{[ 21 ]} Als Reaktion auf die eingegangenen Kommentare wurde 2016 im Federal Register bekannt gegeben, dass 46 Stationen weiterhin in Betrieb und „für Nutzer in den maritimen und Küstenregionen verfügbar“ bleiben würden. ^{[ 22 ]} Trotz dieser Entscheidung legte das USACE seine verbleibenden sieben Standorte still, und im März 2018 kündigte die USCG an, ihre restlichen Stationen bis 2020 ebenfalls stillzulegen. ^{[ 23 ] Seit Juni 2020 ist der gesamte NDGPS-Dienst eingestellt, da er aufgrund der Abschaffung der selektiven Verfügbarkeit im Jahr 2000 [ 24 ]} und der Einführung einer neueren Generation von GPS-Satelliten ^{[ 25 ]} nicht mehr als notwendig erachtet wird .

Das kanadische System ähnelte dem US-amerikanischen System und war hauptsächlich für die Seefahrt gedacht. Es deckte die Atlantik- und Pazifikküste sowie die Großen Seen und den Sankt-Lorenz-Seeweg ab . Der Betrieb wurde am 15. Dezember 2022 eingestellt. ^{[ 26 ]}

Australien betreibt zwei DGPS-Netzwerke: eines dient hauptsächlich der Schifffahrt und sendet sein Signal auf der Langwelle; ^{[ 27 ]} ein anderes wird für Landvermessungen und Landnavigation genutzt und sendet Korrekturen auf dem kommerziellen FM-Radioband.

Der maritime DGPS-Dienst mit 16 Bodenstationen entlang der australischen Küste wurde zum 1. Juli 2020 eingestellt. ^{[ 28 ]} Verbesserte Mehrkanal-GPS-Fähigkeiten und Signalquellen mehrerer Anbieter (GPS, GLONASS , Galileo und BeiDou ) ermöglichten eine höhere Navigationsgenauigkeit als GPS + DGPS. Das australische satellitengestützte Ergänzungssystem (SBAS), das Southern Positioning Augmentation Network (SouthPAN), bietet GNSS-Nutzern eine höhere Positionsgenauigkeit. ^{[ 29 ]}

Die QZSS -Satelliten betreiben ein „Submeter-Level-Augmentationssystem“ (SLAS). Es übermittelt Pseudostreckenfehler und Informationen zum Satellitenzustand, die von 13 Bodenstationen gemessen werden. Es ergänzt GPS, GLONASS, QZSS (selbst), BeiDou und Galileo. Es nutzt das GPS-L1-Band, sodass bestehende Empfänger lediglich eine Firmware-Anpassung benötigen, um es zu verwenden. ^{[ 30 ]}

Networked Transport of RTCM via Internet Protocol (NTRIP) ist ein Standard-Internetprotokoll für den Austausch von GPS-Korrekturdaten, insbesondere für DGPS. Kostenlose und kostenpflichtige Server bieten Zugriff auf Echtzeit-Korrekturdaten in diesem Protokoll. ^{[ 31 ]} Einige dieser Server bieten erweiterte Funktionen wie virtuelle Referenzstationen , bei denen Korrekturen mehrerer nahegelegener Stationen kombiniert werden, um eine genauere Fehlerschätzung für den angefragten Standort zu ermöglichen. NTRIP-Server werden in der Echtzeitkinematik (RTCM ) häufig eingesetzt . ^{[ 32 ]}

Die Nachbearbeitung wird bei Differential-GPS eingesetzt, um präzise Positionen unbekannter Punkte zu erhalten, indem diese mit bekannten Punkten wie Vermessungsmarken in Beziehung gesetzt werden .

Die GPS- Messwerte werden in den GPS-Empfängern gespeichert und anschließend an einen Computer übertragen, auf dem die GPS-Nachbearbeitungssoftware läuft. Die Software berechnet Basislinien anhand simultaner Messdaten von zwei oder mehr GPS-Empfängern.

Die Basislinien stellen eine dreidimensionale Linie dar, die zwischen den beiden Punkten jedes GPS-Antennenpaares verläuft. Die nachbearbeiteten Messungen ermöglichen eine präzisere Positionsbestimmung, da die meisten GPS-Fehler beide Empfänger nahezu gleich stark betreffen und sich daher in den Berechnungen gegenseitig aufheben können.

Die Verbesserung der GPS-Positionierung erfordert keinesfalls simultane Messungen von zwei oder mehr Empfängern, sondern kann auch durch spezielle Anwendungen eines einzelnen Geräts erfolgen. In den 1990er-Jahren, als selbst Handempfänger noch recht teuer waren, wurden einige Verfahren des quasi-differenziellen GPS entwickelt, bei denen der Empfänger schnelle Positionswechsel oder Schleifen von 3 bis 10 Messpunkten durchführte .

• RTCM SC-104 – ein Standard für die Übertragung von dGPS-Daten an einen GPS-Empfänger
• Assisted GPS (A-GPS) – System, das hauptsächlich in GPS-fähigen Mobilgeräten zur Verbesserung der Startleistung eingesetzt wird.
• GNSS-Ergänzung
• GNSS-Verbesserung
• Phasenzentrum

• SiReNT-Informationsseite , archiviert am 05.05.2018 im Internetarchiv (Wayback Machine) .
• US NDGPS-Datenblatt
• Nationales DGPS-System des Navigationszentrums der US-Küstenwache
• USCG-Abdeckungskarten
• Informationen der kanadischen Küstenwache zum DGPS (Englisch)
• DGPS-Informationen der kanadischen Küstenwache (Französisch)
• Produktübersicht zu RTK-DGPS-Empfängern für (hauptsächlich) hydrographische Anwendungen
• DGPS-Dekodierungssoftware
• Nützliche DGPS-Links, Datenbanken und Ressourcen
• Weltweite Datenbank der IALA-DGPS-Referenzstationen auf einer interaktiven Karte. Archiviert am 17.07.2015 im Internet Archive.