Zum Abschluss dieses Kapitels wollen wir noch kurz auf die Positionsbestimmung im Raum unter Nutzung eines Satellitennavigationssystems eingehen. Für messtechnische Zwecke werden hier entsprechende Chips bzw. darauf aufbauende Messmodule angeboten. Aktuell sind die Systeme

  • NAVSTAR GPS (Navigational Satellite Timing and Ranging – Global Positioning System, meist kurz GPS genannt), USA und
  • GLONASS (Global Navigation Satellite System), Russland

im Einsatz sowie

  • Galileo, Europa und
  • Beidou („Großer Bär“, abgekürzt auch BDS), China

im Aufbau. Bild 113 deutet das Funktionsprinzip an.

Bild 113: Satellitennavigation

Alle Systeme arbeiten nach demselben Messprinzip, realisieren es jedoch unterschiedlich. In einem Orbit um die Erde verteilt befindet sich ein Verbund aus Satelliten, die in gewisser Taktung jeweils eine einheitliche Systemzeit, die aus Atomuhren an Bord gewonnen wird, und ihre jeweilige Position aussenden. Die Empfangselektronik am Boden muss nun die Signale von mindestens vier Satelliten für eine präzise Positionsbestimmung empfangen. Da sie eine eigene Zeitbasis besitzt, kann sie für das Datenpaket jedes Satelliten die entsprechende Sendezeit t1 bis t4 ermitteln und hierüber auf die dazu proportionalen Satellitenabstände schließen.

Der räumliche Schnittpunkt von Kugeloberflächen um jeden der beteiligten Satelliten mit Radien, die diesen Abständen jeweils entsprechen, stellt dann die Empfängerposition dar. Rein geometrisch betrachtet wären hierzu an sich nur drei Satelliten notwendig. Da die Zeitbasis des Empfängers aber deutlich ungenauer ist als die atomuhrbasierte an Bord der Satelliten, wird der vierte Satellit genutzt, um die Empfängerzeit immer wieder exakt auf die Systemzeit zu synchronisieren. Intern werden dazu vier Gleichungen mit vier Unbekannten (drei Positionskoordinaten und Abweichung in der Zeit) entsprechend aufgelöst. Eine Erhöhung der Anzahl der gleichzeitig vom Empfänger sichtbaren Satelliten führt zu einer Erhöhung der Positionsgenauigkeit.

Beim GPS beispielsweise wird eine Bahnhöhe von 20.183 km benutzt, in der sich laufend mindestens 24 Satelliten mit sich ständig ändernden Positionen über der Erde befinden. Die für die Positionsbestimmung relevanten Daten werden alle 30 s gesendet. Die zu erwartende Messabweichung in alle Dimensionen beträgt etwa 2 m. Eine Genauigkeitssteigerung bis in den mm-Bereich ist mit sog. Differential-GPS-Verfahren (DGPS, auch dGPS) möglich. Hierbei werden von Referenzstationen in der Nähe der eigentlichen Messanwendung Daten mit der aktuell herrschenden Messabweichung am Ort der Referenzstation auf eigenem Übertragungsweg gesendet, so dass der Empfänger eine entsprechend daran angelehnte Korrektur vornehmen kann. In Deutschland betreiben z.B. die Landesvermessungsämter den sog. Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermessung (SAPOS), worüber man u. a. über ein spezifisches Internetprotokoll die Korrekturdaten in Echtzeit abrufen kann.

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