In den letzten Jahrzehnten wurde die Leistung von globalen Satellitennavigationssystemen (GNSS) deutlich verbessert; die GNSS-Genauigkeit hat sich signifikant verbessert. In den frühen 2000er Jahren verringerte sich die Zeit, die nach dem Einschalten des Empfängers bis zu einer ersten genauen Position verging, von einigen Minuten auf unter dreißig Sekunden. In der späteren Hälfte des Jahrzehnts wurde die Empfängerempfindlichkeit dramatisch gesteigert – von -130 dBm auf -167 dBm. Auch gab es im Jahr 2000 nur eine funktionierende Positionierungssatelliten-Konstellation (nämlich das US-amerikanische GPS). Bis 2015 war diese Anzahl auf vier gestiegen (GPS, das russische GLONASS, das chinesische Beidou und das europäische Galileo), wobei diese auch noch von zwei regionalen Systemen ergänzt werden (das indische NAVIC und das japanische QZSS).

Die Positionsbestimmung wird bald auch massentauglich auf 10 cm genau sein.

Die Positionsbestimmung wird bald auch massentauglich auf 10 cm genau sein. Sergey Ilin – stock.adobe_175960069

Diese Entwicklung ebnete den Weg für GNSS-Empfänger für mehrere Konstellationen. Auch die Satellitensignale wurden modernisiert und Multiband-GNSS wird ab 2018 erschwinglich. Diese Fortschritte stellten die Weichen für das nächste große Thema im Bereich GNSS: das Erreichen von dezimeter- oder zentimetergenauer Präzision.

GNSS-Empfänger bestimmen ihre Position über Triangulation, wobei sie ihre Entfernung von mindestens vier GNSS-Satelliten verwenden. Da sie diese Entfernung auf Basis der Zeitspanne messen, die bis zum Empfang eines Satellitensignals vergeht, können selbst kleinste Fehler – etwa mit wenigen Milliardstel-Sekunden – die Genauigkeit negativ beeinflussen. Fehler in der Position der Satellitenumlaufbahn können zu einem Genauigkeitsverlust von etwa 2,5 m führen, Fehler der Satellitenuhrzeit fügen bis zu 1,5 m Ungenauigkeit hinzu. Störungen in der Troposphäre und Ionosphäre können einen weiteren Meter beziehungsweise weitere 5 m Genauigkeitsverlust hervorrufen. Diese Zahlen können sogar noch steigen, wenn sich der Satellit nahe am Horizont befindet oder gerade intensive Sonnenaktivität stattfindet. Der weitaus größte Fehler entsteht durch Mehrwege-Effekte, bei denen Satellitensignale den Empfänger auf mehreren oder indirekten Pfaden erreichen, beispielsweise durch die Reflexion der Signale an Wänden in Straßenschluchten. Bei freien Sichtverbindungen zum Himmel (Open Sky) können Standard-GNSS-Empfänger die Position mit einer Präzision von etwa 2 m bestimmen.

GNSS-Genauigkeit

Hochpräzise GNSS-Systeme verbessern die Genauigkeit dramatisch, indem sie GNSS-Fehler mithilfe von GNSS-Korrekturdaten und speziellen Algorithmen ausgleichen. Eine Möglichkeit, diese Daten zu erhalten, besteht in der Überwachung von GNSS-Signalen von einer Referenzstation an einem bekannten Standort. Abweichungen von der Position der Referenzstation werden ausgewertet und an den „Rover“ gesendet. Beim Rover handelt es sich um ein bemanntes oder unbemanntes Fahrzeug, welches mit einem hochpräzisen GNSS-Empfänger ausgestattet ist. Unter günstigen Bedingungen lässt sich mit diesem Ansatz zentimetergenaue Präzision erreichen, wobei die Referenzstation und der Rover nicht zu weit voneinander entfernt sein dürfen.

Allerdings vermeidet dieser Ansatz nicht alle GNSS-Fehler. Zwar lassen sich mithilfe von Korrekturdaten die Fehler in der Satellitenposition und -uhrzeit sowie atmosphärische Fehler eliminieren, da die Satellitensignale, die die Referenzstationen erreichen, denselben Fehlern unterliegen können, wie jene, die dir Rover erreichen. Mehrwege-Fehler dagegen, die von der lokalen Umgebung des Rovers verursacht werden, beispielsweise durch Hochhäuser in der Nähe, müssen vom Empfänger selbst korrigiert werden, um die entsprechende GNSS-Genauigkeit zu erzielen.

GNSS mit hoher Präzision ist keine neue Erfindung. So haben unter anderem Vermessungsingenieure schon seit Jahrzehnten Zugang zu dieser Technologie. Aber hohe Gerätekosten und die Abhängigkeit von teuren Korrekturdiensten haben es bisher verhindert, dass die Technologie aus ihren Nischenmärkten herauswächst. Neu ist dagegen, dass es jetzt Technologien gibt, die GNSS mit hoher Präzision für den Massenmarkt attraktiv machen. Anwendungen wie fahrspurgenaue Navigation, Augmented-Reality, hochpräzise Flüge und Landungen von Drohnen, selbstfahrende Rasenmäher und Traktoren sowie V2X-Kommunikation, bei der vernetzte Fahrzeuge drahtlos mit anderen Fahrzeugen und Infrastruktur zur Kollisionsvermeidung kommunizieren, sind plötzlich möglich. Zweifelsohne werden mit der zunehmenden Verbreitung dieser Technologie der hohen GNSS-Genauigkeit zahlreiche weitere Anwendungen aufkommen.

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