Die Zukunft des GPS

Die Zukunft des GPS

Die Verbesserung der Leistung von Global Positioning Systems (GPS) hat es zu einem beliebten Instrument für die Straßennavigation gemacht. Doch wie zuverlässig ist es wirklich und wie kann es zu einem System weiterentwickelt werden, das robust genug ist, um auch kritische Aufgaben wie den Flug- und Bahnverkehr zu übernehmen? David Bartlett, freiberuflicher Berater für GPS-Systeme, befasst sich mit der Geschichte des GPS und damit, wie es mit anderen Technologien und Satellitennavigationssystemen kombiniert werden kann, um eine optimale Leistung zu erzielen.

Die Leistungsfähigkeit von GPS hat sich in den letzten zehn Jahren phänomenal verbessert. Ursprünglich in den 1970er Jahren für das Militär entwickelt und vom US-Verteidigungsministerium betrieben, fasste GPS nach und nach auch in der See- und Luftnavigation Fuß. In jüngster Zeit hat es sich mit verbesserten Empfängern und Zusatztechnologien wie dem Kartenabgleich zur bevorzugten Navigationstechnologie für Straßenreisen entwickelt. GPS gehört heute nicht nur zur Standardausstattung von Luxusautos, sondern ist auch als separates Gerät für Fahrzeugortung oder Wanderer weit verbreitet und wird immer mehr zu einem integralen Bestandteil vieler Mobiltelefone.

Unterschiedliche Verwendungszwecke

GPS wird inzwischen in vielen ernsthaften professionellen Anwendungen eingesetzt, z. B. bei der Landvermessung, der Synchronisierung von Basisstationen in Mobilfunknetzen und bei der umlagefinanzierten Kfz-Versicherung, die von Norwich Union eingeführt wurde. In diesem Fall wird ein kleiner schwarzer Kasten mit einem GPS-Empfänger und einem Funkmodem in das versicherte Auto eingebaut. Das GPS überwacht ständig die Position des Fahrzeugs, und jeden Tag werden Aufzeichnungen über Ort und Zeit der Fahrt in die Computer von Norwich Union hochgeladen, die die fällige Versicherungsgebühr berechnen. Das System ermöglicht es dem Benutzer, kontextabhängige Entscheidungen über die Fahrweise zu treffen – zum Beispiel ist es in der Regel viel teurer, spät nachts oder in den frühen Morgenstunden zu fahren.

Jede Woche wird in den Medien über neue und neuartige Einsatzmöglichkeiten von GPS berichtet: Verfolgung von Gefangenen, Ortung von Nutztieren, ortsbezogene Spiele, Schutz von Alleinarbeitern und vieles mehr.

So gut, wie es ist?

GPS war das erste globale Satellitennavigationssystem (GNSS) und ist das einzige System, das heute allgemein für die kommerzielle Nutzung zur Verfügung steht. Um eine Position zu berechnen, muss der Empfänger in der Lage sein, mindestens vier (bei einer höhenbeschränkten Lösung drei) Satellitensignale zu empfangen und genau zu messen, und er muss genau wissen, wo sich die Satelliten am Himmel befinden.

Umgang mit Beschränkungen

Die meisten Leistungsverbesserungen des GPS sind auf bessere Empfänger und deren Fähigkeit zurückzuführen, sehr schwache Signale aus dem Hintergrundrauschen herauszufiltern. Dies macht sich vor allem im “Tracking-Modus” bemerkbar. Sobald der Empfänger die Satellitensignale erfasst hat, kann er sie auch dann noch verfolgen, wenn sie nur noch ein Tausendstel der normalen direkten Signalstärke betragen.

Die Schwierigkeit besteht jedoch darin, schwache Signale überhaupt erst zu erfassen. Das Problem besteht darin, dass die Satellitensignale ein Datensignal enthalten, das alle Informationen enthält, die der Empfänger für die Berechnung einer Position benötigt (siehe nebenstehenden Abschnitt “Wie GNSS funktioniert”). Diese Daten werden mit einer Bitrate von 50 Bit pro Sekunde übertragen, wodurch das gemessene Signal moduliert wird. Während der Erfassung weiß der Empfänger nicht, welche Daten übertragen werden, und diese Ungewissheit erschwert die genaue Messung sehr schwacher Satellitensignale; außerdem muss der Empfänger in der Lage sein, die Daten zu dekodieren, um zu wissen, wie die Position zu berechnen ist.

Alternative Systeme

Während GPS III einige dieser allgemeinen Bedenken ausräumt, gibt es einige politische Faktoren, die den Wunsch nach weiteren GNSS-Systemen wecken. Da GPS vom US-Verteidigungsministerium verwaltet und kontrolliert wird, ist seine Nutzung für kommerzielle Dienste von dessen Gnaden und könnte nach Belieben abgeschaltet werden. Darüber hinaus bietet GPS keine kommerziellen Serviceversprechen.

Dann gibt es noch Galileo, das europäische GNSS-System, das direkt für kommerzielle Anwendungen entwickelt wird und für das eine Dienstleistungsvereinbarung abgeschlossen wird. Es wurde so konzipiert, dass es die Nutzung mehrerer Bänder und andere technische Innovationen nutzt, um die Signalerfassung zu erleichtern und die Robustheit gegenüber Störern zu erhöhen. Die Satelliten kreisen in einer etwas stärker geneigten Umlaufbahn, was angeblich eine bessere Abdeckung als GPS in den hohen europäischen Breitengraden ermöglicht. Das System ist auch mit dem internationalen Such- und Rettungssatellitensystem (SARSAT) integriert und kann Notsignale empfangen und lokalisieren. Galileo wurde von Verzögerungen und finanziellen Problemen geplagt, doch scheint es endlich auf dem besten Weg zu sein, bis etwa 2012 betriebsbereit zu sein.

Verbesserung von GPS

Zurück zum GPS: Es gibt einige Möglichkeiten, dem Empfänger externe Informationen zur Verfügung zu stellen, um seine Leistung zu verbessern. Diese Methoden werden oft als unterstützte GPS- oder GPS-Ergänzungstechniken bezeichnet.

Signalisierung für Land und Meer

Es gibt auch viele unabhängige Systeme und Technologien, die für GNSS wichtig sind und wahrscheinlich auch in Zukunft sein werden. Neben der Kartenanpassung – ohne die die meisten kommerziellen GPS-Navigationsgeräte heute nicht auskommen würden – können zusätzliche Bewegungsdaten von Raddrehungszählern, Beschleunigungsmessern, Magnetometern, Kreiseln und anderen Geräten verwendet werden (siehe Abschnitt “Erklärung der Kartenanpassung”). Dynamische Hochleistungs-GPS-Empfänger, die für Präzisions- und Luftfahrtarbeiten verwendet werden, sind in der Regel zu kostspielig und sperrig für kommerzielle Massensysteme, die daher auf eine viel billigere teilweise Integration mit anderen Sensordaten angewiesen sind.

Angesichts der jüngsten GPS-Verbesserungen sind die alten bodengestützten, flächendeckenden Funkortungssysteme wie Decca und Loran C weitgehend außer Gebrauch geraten und wurden durch das überlegene und leistungsfähigere GPS-System ersetzt. Die Schifffahrtsindustrie fördert jedoch aktiv die Entwicklung von eLoran. Dabei handelt es sich um eine modernisierte Version von Loran, einer terrestrischen Funknavigation, die ein Netz von Niederfrequenz-Bodensendern nutzt. Der Empfänger empfängt und dekodiert die Signale von mindestens zwei oder drei verschiedenen Sendern und errechnet anhand dieser Messungen die Position des Empfängers. Es wird eine Genauigkeit von mindestens 10 m angegeben. Da das System auf völlig anderen Funkmodi und einem ganz anderen Funkspektrum basiert, ist man der Ansicht, dass eLoran ein praktikables Parallel- oder Backup-System für GPS in der Schifffahrt und für hochzuverlässige Anwendungen im Straßenverkehr darstellt.

Künftige Nutzung

Es ist wahrscheinlich, dass GPS noch für einige Zeit der Dreh- und Angelpunkt für Navigationsanwendungen bleiben wird, auch wenn