Wie genau ist GPS? Oder warum das keiner so gen...

Wie genau ist GPS? Oder warum das keiner so genau sagen kann!

Wie genau ist GPS? Oder warum das keiner so genau sagen kann!

Es kommt einfach darauf an, wie die GPS-Satelliten gerade stehen, ob Hindernisse die Signale verfälschen, und natürlich hängt es auch vom verwendeten GPS-Empfänger selbst ab. Mit einem aktuellen GPS-Empfänger - also auch unseren Solmeta- und Dawntech-Geotaggern - kann man unter optimalen Voraussetzungen eine statistische Genauigkeit von etwa 3 m erreichen.

Bedingungen

Gute GPS Empfangsbedingungen Schlechte GPS Empfangsbedingungen Gute Bedingungen (geringe Abschattung) Schlechte Bedingungen (hohe Abschattung) Dazu sollte der GPS-Empfänger jedoch einfache Korrektursignale verarbeiten können. Das erledigen die aktuellen Geräte zumeist automatisch, solange ein Korrektur-Signal verfügbar ist. Diese Signale kommen von zusätzlichen Satelliten und helfen ionosphärische Störungen (dazu unten mehr) grob zu korrigieren. Diese "Hilfssatelliten" kreisen nicht wie die GPS-Satelliten um die Erde, sondern sind geostationär. So gibt es WAAS für Nordamerika (Wide Area Augmentation System) bzw. EGNOS für Europa (European Geostationary Navigation Overlay Service), sowie MSAS für Asien (Multi-Functional Satellite Augmentation System). Außerhalb dieser Regionen gibt es derzeit keine solchen Korrektursignale, weshalb die statistische Genauigkeit dort vielleicht bei nur 7-10m liegt.

Abschattungen und Mehrwegeffekte

Gps-multipath-efectGPS Mehrwegeffekt (Multipath)Generell ist in Städten, Tälern und Wäldern mit einer schlechteren Genauigkeit zu rechnen, da zum einen weniger Satelliten zu empfangen sind (Abschattung) und zum anderen die verwertbaren Satelliten meist relativ senkrecht stehen (schlechte DOP). Der kleine sichtbare Ausschnitt am Himmel in einem Hinterhof macht das sehr deutlich. Dies verringert die Laufzeitunterschiede der GPS-Signale, auf deren Vergleich das GPS-Prinzip basiert. Hinzu kommen so genannte Mehrwegeffekte (Multipath) durch Reflexion von Signalen.

Aus diesen Gründen bedienen sich z.B. Vermesser kostenpflichtiger Korrekturdienste via Funk (wie z.B. SAPOS). Damit sind - mit ein paar Kniffen - statistische Genauigkeiten von unter einem Zentimeter möglich. Die entsprechenden Geräte liegen derzeit in einem Preissegment von mehreren tausend bis mehreren zehntausend Euro. Hinzu kommen die Kosten für den Korrekturdienst. Und bei schlechten Empfangsverhältnissen bleibt man selbst mit dieser Lösung auf der Strecke ...

Und jetzt für die, die es genauer wissen wollen ...

Es gibt verschiedene Faktoren, die eine GPS-Messung ungenau machen. Die zwei wesentlichen Faktoren sind:

  • Störungen in der Ionosphäre
  • Verteilung der Satelliten am Himmel

Störungen in der Ionosphäre

Gps-atmospheric-efectsDie Störungen in der Ionosphäre hängen im wesentlichen von der Sonneneinstrahlung ab.

Die Ionosphäre ist eine atmosphärische Schicht im Bereich von ca. 60-1000 km oberhalb der Erdoberfläche. Die Sonneneinstrahlung ionisiert die Gasmoleküle in dieser Schicht tagsüber stark. Dies verlangsamt die GPS-Signale, die sich ideal (im Vakuum) mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten würden. Durch die Ionosphäre ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Satellitensignale also nicht mehr konstant.

Die Ionisierung ist durch den Tageslauf der Sonne zeit- und ortsabhängig und somit inhomogen. Am Tag und am Äquator ist sie am stärksten. Hochwertige GPS-Lösungen, z.B. aus dem Vermessungssektor, nutzen Korrekturdaten von fixen Messstationen, die den Fehler hochgenau berechnen (z.B. SAPOS).

 

 

Verteilung der GPS-Satelliten und "die DOP"

dop_tetraeder_volumenDer so genannte DOP-Wert ist ein gutes Maß für die zu erwartende Genauigkeit einer GPS-Messung. Er spiegelt die Verteilung der nutzbaren Satelliten am Himmel wieder. Dabei gilt: Je größer das eingeschlossene Volumen, umso kleiner der DOP-Wert. (Abbildungen aus: GPS und GNSS: Grundlagen der Ortung und Navigation mit Satelliten von Herr Professor Zogg).

Moderne GPS-Empfänger suchen sich bei mehr als vier sichtbaren Satelliten automatisch jene Vierer-Konstellation mit der kleinsten DOP aus.

Die Verteilung der GPS-Satelliten ist ein oft unterschätzter Faktor, der gerne vereinfacht als Sichtbarkeit (engl. visibility) bezeichnet wird. Hier rührt wohl auch die nicht auszurottende Legende her, dass Bewölkung die GPS-Messung erschweren würde - schließlich ist die Sicht durch Wolken eingeschränkt, oder? GPS-Signale arbeiten nicht im sichtbaren Wellen-Spektrum. Eine Wolkendecke oder Niederschlag stören den GPS-Empfang nur minimal!

Fassen wir zusammen: Es sind also vielmehr die Stellung der Satelliten und deren Abschattung durch feste Objekte (Berge, Häuser, ...), die einen großen Einfluss auf die GPS-Genauigkeit haben. Die resultierende Ungenauigkeit kann als Dilution of Precision oder DOP bezeichnet werden (etwa: "Verwässerung der Genauigkeit"). Der DOP-Wert ist also keine mythische Zahl, sondern eine sinnvolle und praktische Größe für jeden GPS-Empfänger.

Der Text Dilution of Precision - Wie genau ist?s denn nun? von Herr Professor Zogg aus dem NAVI-Magazin 1-2/2008 veranschaulicht auf sehr verständliche Weise, wie der DOP-Wert zustande kommt. Ein Artikel der sich lohnt!

Faustregeln für die Interpretation der DOP-Werte:

  • Je weiter die Satelliten über den Himmel verteilt sind, desto besser (siehe Abbildung: Volumen des Tetraeders; je größer das Volumen, desto besser!).
  • Je niedriger der DOP-Wert, desto besser.
  • Verdopplung des DOP-Wertes = Verdopplung der Ungenauigkeit der GPS-Ortung (vereinfacht)
  • DOP-Werte unter 3 sind gut!
  • Auf dem flachen Land sind DOP-Werte über 3 selten.
  • In Straßenschluchten oder einem engen Tal sind viele theoretisch empfangbare GPS-Signale abgeschattet. Die verwertbaren Signale kommen von relativ senkrecht über dem Empfänger stehenden Satelliten. Der DOP-Wert steigt tendenziell stark an.
  • Die GPS-Satelliten bewegen sich ständig. Der DOP-Wert ändert sich also stetig.

Ein typischer Tagesverlauf der DOP

Ein typischer Tagesverlauf der DOP ohne Abschattung.

  • Die Schwankungen sind gut sichtbar.
  • Die schlechtesten DOP-Werte sind kleiner 2 (ca. 21:00 Uhr).
  • Es ist also durchgängig mit guten Messungen zu rechnen.

dop-ohne-abschattung

Und nun das Diagramm mit einer gedachten Abschattung durch ein Hochhaus im Südwesten (180°-270°), sowie niedrigen Hindernissen rundherum:

  • Die Schwankungen nehmen extrem zu!
  • Immer wieder verhindern extrem schlechte DOP-Werte von über 20 (!) eine gute GPS-Messung.
  • Die Maximalwerte des obigen Diagramms ohne Abschattung werden fast durchgängig erreicht!

dop-mit-abschattung

Abbildungen aus: GPS und GNSS: Grundlagen der Ortung und Navigation mit Satelliten von Herr Professor Zogg

Fazit

  • Die Faktoren für die GPS-Messung ändern sich mit zunehmender Abschattung extrem.
  • Die Faktoren für die GPS-Messung ändern sich ständig - und das von Minute zu Minute!
  • Eine Genauigkeitsangabe kann also nur ein statistischer Wert sein.
  • Pauschale Aussagen wie: "Dieser GPS-Empfänger misst auf x Meter genau" sind grober Unfug!
  • Ein geringer Standortwechsel kann die Abschattung und somit die Messungen extrem beeinflussen.

Wer es jetzt noch genauer Wissen möchte, sei auf die Website von Herrn Professor Zogg und seinen Text GPS und GNSS: Grundlagen der Ortung und Navigation mit Satelliten verwiesen.

Wie lange braucht ein GPS-Empfänger zum Starten? Kaltstart? Warmstart?