Differential Global Positioning System

Mobile Referenzstation Baseline HD von Claas für den Einsatz bei satellitengestützten Lenksystemen in der Landwirtschaft

Beim DGPS werden ortsfeste GNSS-Antennen, sogenannte Referenzstationen, benutzt, deren exakte Lage durch klassische Vermessungsmethoden bestimmt wurde. Aus der Abweichung der tatsächlichen und der empfangenen Position lassen sich die wirklichen Laufzeiten der Signale für jeden Satelliten sehr genau bestimmen. Die Differenzen der theoretischen und der tatsächlichen Signallaufzeiten werden an die DGPS-Empfänger in der Umgebung übertragen.

Die DGPS-Empfänger korrigieren ihre Position mit diesen Korrektursignalen, wodurch sich die Position des Empfängers erheblich genauer berechnen lässt. Die für die Korrektursignale notwendige Empfangsantenne ist oft in die GNSS-Antennen integriert. Fällt die (Funk-)Verbindung zur DGPS-Sendeanlage aus, schaltet der Empfänger in den unkorrigierten GNSS-Modus mit normaler Genauigkeit um.

Wie stark die Genauigkeit erhöht werden kann, hängt hauptsächlich von der Entfernung des DGPS-Empfängers von der Referenzstation ab. Die erreichbare Genauigkeit liegt je nach Qualität des Empfängers und der Korrekturdaten zwischen 0,3 m und 2,5 m für die Lage (x, y) und bei 0,2 m bis 5 m für die Höhe. Hochqualitative Systeme werten zusätzlich die Phasenverschiebung der Trägerwelle aus (wie z. B. bei geodätischen Empfängern üblich) und erreichen so Genauigkeiten von wenigen Millimetern (± 1 mm bis ± 10 mm pro km Abstand zur Referenzanlage).

Man kann die Messdaten (die empfangenen Satellitensignale) entweder für eine nachträgliche Auswertung aller Messpunkte aufzeichnen (offline) oder die Positionskorrekturen der Basisstation online an alle Rover übermitteln. Erstere Methode wurde vor allem in der Anfangszeit von GPS verwendet, wird aber teilweise bis heute für genaue Vermessungsnetze angewandt.

Die Berechnung erfolgt durch einen räumlichen Netzausgleich, der entweder auf den Signal-Laufzeiten oder auf ihrer Phasenmessung beruht. Wenn Genauigkeiten im Dezimeter- bis Meterbereich ausreichen, genügt auch die Ausgleichung der von den Empfängern direkt berechneten Positionen.

Für weit ausgedehnte Vermessungsnetze kann es notwendig sein, diese in überlappende Abschnitte zu unterteilen, die sogenannten Sessionen. Mit den vorhandenen Empfängern wird ein Teil der Punkte und ein bis drei Referenzpunkte gleichzeitig eingemessen; mittels letzteren kann das gesamte Netz a posteriori einheitlich ausgeglichen werden. Auch eine nachträgliche „Anfelderung“ einzelner Netzteile ist möglich.

Im ersten GPS-Jahrzehnt, als die Empfänger noch sehr teuer waren, wurden auch Verfahren zur Genauigkeitssteigerung mit nur einem Empfänger entwickelt („single receiver methods“), unter anderem das qGPS (Quasidifferenz-GPS) der TU Wien, das die einzelnen Messpunkte durch wiederholtes Aufsuchen eines zentral gelegenen Bezugspunktes gegeneinander versteift.

Besonders geeignet erwies sich dafür der Garmin-Empfänger GPS II (1995), mit dem sich trotz Datenverschleierung (Selective Availability) die Genauigkeit von etwa ±50 m auf einige Meter verbessern ließ.

Die wiederholten Messungen auf dem Bezugs- bzw. Knotenpunkt (genannt „reoccupation“) ermöglichten durch geeignete Ausgleichung nicht nur eine genauere Vernetzung, sondern auch die Bereinigung eines eventuellen zeitlichen Trends in den ermittelten GPS-Koordinaten der Messpunkte.

Im Allgemeinen werden jedoch die Korrekturdaten der Referenzstation(en) direkt an alle Empfänger gefunkt oder – im Falle regionaler Permanentstationen – auch über das Internet verbreitet.

Durch telefonische oder Funkübertragung der Korrekturdaten einer Basisstation kann jeder Rover sofort seine Ortungsgenauigkeit erhöhen. Eine feinere Korrektur kann auch im Nachhinein erfolgen, wenn Rover und Basisstation alle Daten zur Positionsbestimmung aufzeichnen (Postprocessing).

Die Korrekturdaten können vom Anwender selbst erzeugt werden, wenn ein zweiter GPS-Empfänger vorhanden ist. Um aber auf Zweitgeräte verzichten zu können, haben viele Länder permanente Referenzstationen eingerichtet, die von Anwendergruppen oder der amtlichen Landesvermessung betrieben werden (z. B. das SAPOS-Netz der deutschen Bundesländer). Dadurch sind auch mit nur einem Empfänger hochgenaue Positionsbestimmungen möglich, bei entsprechender Hardware sogar praktisch in Echtzeit.

• Für Deutschland wurde SAPOS-HEPS (Hochpräziser Echtzeit Positionierungs-Service) entwickelt. Er bietet eine Lagegenauigkeit von ca. 1–2 cm und eine Höhengenauigkeit von ca. 2–3 cm.

Für Messungen im SAPOS-System benötigt man Roverausrüstung mit einem geodätischen, RTK-fähigen GNSS-Empfänger, sowie ein Modem / Handy für den Empfang der SAPOS-Daten. Man kann sich dabei (unter Beibehaltung von Satellitenkontakt und Handyverbindung) von Punkt zu Punkt bewegen, ohne den Empfänger jedes Mal neu initialisieren zu müssen. Dies ermöglicht flexibles Arbeiten und man erhält sofort die Koordinate eines Punktes im ETRS-Koordinatensystem. Als Beobachtungszeit pro Punkt genügen 5–20 Sekunden.
Vorteil: Wirtschaftlichkeit durch geringen Zeit- und Personalaufwand. Koordinaten direkt erhältlich, ohne innendienstliche Nachbearbeitung. Keine Abhängigkeit von Tageszeit oder Wetter.
Nachteil: Koordinatenbestimmung in präziser Lage nur durch Koordinaten-Transformation.

• In anderen Ländern wurden ähnliche Datendienste aufgebaut, die entweder amtlich, von Vermessungsdiensten oder von EVUs betrieben werden. In Österreich sind es v. a. Kraftwerksbetreiber und das dGPS der Ingenieurbüros, in der Schweiz das swipos der Landestopografie, in Deutschland neben Sapos Anbieter wie ALF, AMDS oder ascos.
• Bei der Methode der Pseudorange-Korrektur berechnet die Basisstation die Fehler der Strecken zu den Satelliten und übermittelt diese an den Rover. So ist auch eine Korrektur möglich, wenn von der Basisstation und dem Rover unterschiedliche Satelliten empfangen werden. Es sind Genauigkeiten < 1 m möglich.
• Bei sehr genauen Messungen wird auch die Phasenlage der Satellitensignale ausgewertet. Dadurch sind Genauigkeiten von 1–10 mm pro km Abstand zur Basisstation erreichbar.
• Auf dem Meer ist eine geringere Genauigkeit ausreichend, doch eine Verbreitung über Radio nützlich. Für die Bundesrepublik Deutschland werden Differential-Stationen von der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes betrieben. Sie arbeiten nach dem internationalen IALA-Standard und senden Korrekturdaten auf Mittelwelle für den Küsten- und Binnenbereich aus. Zentrale technische Behörde ist das Amt für Binnen-Verkehrstechnik.

Die Korrektursignale werden üblicherweise über Funk oder für spezielle Anwendungen über andere Datenübertragungswege an die DGPS-Empfänger übermittelt. Da sich die Laufzeitunterschiede der einzelnen GNSS-Signale nur langsam ändern, ist diese Übertragung nicht zeitkritisch. Für einfache DGPS-Korrektur reicht eine Korrektur alle drei Sekunden aus, für hochgenaue DGPS-Korrektur sind sehr viel höhere Raten im Bereich von 0,1 Sekunden nötig.

Neben den regionalen DGPS-Korrekturdaten, die jeweils von einer einzelnen Referenzstation abgeleitet und ausgesendet werden, gibt es auch Korrekturdaten für große Gebiete, die über geostationäre Satelliten verbreitet werden (SBAS). Diese Daten werden aus den Empfangsdaten in einem Netz von Referenzstationen abgeleitet und für kontinentweite Verbreitung über geostationäre Satelliten gesendet. In Europa heißt dieses satellitengestützte DGPS-System EGNOS, in Amerika WAAS, in Japan MSAS und in Indien GAGAN.

Bodenbasierte Systeme (GBAS) werden in der Bundesrepublik Deutschland im Rahmen des Satellitenpositionierungsdienstes der deutschen Landesvermessung (SAPOS) betrieben. Ein weiterer Betreiber von Referenzstationen ist die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV). Deren Stationen arbeiten nach dem internationalen Standard der International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities (IALA) und senden Korrekturdaten auf Mittelwelle für den Küsten- und Binnenbereich aus. Zentrale technische Behörde ist die Fachstelle der WSV für Verkehrstechniken in Koblenz.

Folgende Referenzstationen können bzw. konnten in Deutschland genutzt werden:

DGPS-Korrektursender der WSV

Die WSV betreibt sieben einfache DGPS-Korrektursender (Mittelwelle 283,5 bis 315 kHz, alle drei Sekunden) nach IALA-Standard. Damit kann in der Schifffahrt die Schiffsposition auf wenige Meter genau bestimmt werden.[2]

für See:

• der WSV Helgoland (intl. „Düne“)
• Groß Mohrdorf (int. „Wustrow“)

für Binnengewässer:

• Zeven
• Bad Abbach
• Iffezheim
• Mauken
• Koblenz

Nicht mehr in Betrieb

• Deutschlandfunk Sender Donebach (Langwelle 153 kHz, die Übertragung erfolgte nach dem AMDS-Verfahren parallel zum Rundfunkprogramm) - Seit 1. Januar 2015 außer Betrieb.
• Bodenseesender (Mittelwelle: Sendefrequenz 666 kHz, die Übertragung erfolgte nach dem AMDS-Verfahren parallel zum Rundfunkprogramm). - Seit 8. Januar 2012 außer Betrieb.
• DCF42 (Langwelle, dedizierter DGPS-Sender mit AMDS-Verfahren, Senderstandort: Mainflingen neben dem Zeitsender DCF77). - Seit Ende 2005 außer Betrieb.
• DRS Beromünster (Schweiz) (Mittelwelle: Sendefrequenz 531 kHz, die Übertragung erfolgte nach dem AMDS-Verfahren parallel zum Rundfunkprogramm). - Seit 28. Dezember 2008 außer Betrieb.
• Europäische Sendestationen des Funknavigationssystems LORAN-C sendeten zusammen mit dem LORAN-C-Signal DGNSS-Korrekturdaten aus. Dieser als Eurofix bezeichnete Dienst sollte im gesamten Sendebereich des Northwest European LORAN-C System (NELS) verfügbar sein und sendete ungefähr alle zwei Sekunden.[3] Die Datenrate des damals neuen Standards eLORAN war ähnlich. Beide Verfahren wurden hauptsächlich im maritimen Bereich eingesetzt.

DGPS-Daten können, wie jedes andere Echtzeit-Datenformat, mit verschiedensten Methoden über das Internet zur Verfügung gestellt werden. Das Ntrip-Protokoll bietet ein von der RTCM standardisiertes Verfahren zur Übertragung von DGPS- und anderen Navigationsdaten. Da Navigation meist außerhalb kabelgebundener Internetanschlüsse geschieht, ist hier eine Verbreitung über WLAN und insbesondere Mobilfunk gemeint.

Seit 1998 ist Streckennavigation im Flugverkehr mittels GPS in Deutschland erlaubt. Dazu müssen die zugelassenen Geräte eine Zuverlässigkeitsprüfung der Daten durchführen (RAIM), die den Empfang von mindestens fünf Satelliten benötigt. Moderne Empfänger außerhalb der Luftfahrt haben heute 12 und mehr Empfangskanäle.

Nichtpräzisionslandeanflüge können mit GNSS als einziger Navigationsmethode absolviert werden. Es darf jedoch nur die horizontale Information verwertet werden, für eine Präzisionslandung ist die Höhenmessung nicht genau genug für die Führung auf dem Gleitweg. Bodengestützte Navigationshilfen sind hierfür nicht nötig.

Mithilfe des SBAS namens EGNOS sollen Präzisionsanflüge bis zur Kategorie I möglich werden, bei einer Signalauffrischung alle 500 ms. Bei höheren Anforderungen oder schwierigen Empfangsbedingungen sollen bodenbasierte Systeme, wie SAPOS, eingesetzt werden. Der hochpräzise, kostenpflichtige Echtzeit-Positionierungs-Service (HEPS) dieses Systems ermöglicht eine horizontale Lagegenauigkeit von 1 bis 2 cm und eine Höhengenauigkeit von 2 bis 3 cm.