Grundlagen: GPS-Korrektursystem Egnos

Grundsätzlich können GPS-Satelliten ihre Fehlerfreiheit nicht selbst feststellen. Mit anderen Worten: Wenn ein Fehler auftritt, müssen »externe Beobachter« am Boden diesen Fehler merken und dann möglichst schnell reagieren. Und die Möglichkeiten für Fehler sind gar nicht so selten. Es genügt, wenn ein einzelner Satellit falsche Daten über seine augenblickliche Position aussendet, die normalerweise hochgenauen Atomuhren im Satellit falsch gehen oder wenn zwar ein richtiges Signal gesendet wird, der Satellit aber seine Umlaufbahn geringfügig verlassen hat.

Schon ein Satellit mit Fehlfunktion verfälscht die Positionsberechnungen des größten Teils aller GPS-Empfänger auf der Erdhalbkugel unter ihm. Für bodengebundene Fahrzeuge ist das zwar lästig, aber kein Sicherheitsproblem: Nur weil das Navi plötzlich falsch anzeigt, fährt man ja nicht in den Graben – hoffentlich. Ganz anders ist das aber im Flugverkehr. Sowohl im normalen Reiseflug per Autopilot als auch im Landeanflug können falsche GPS-Koordinaten fatal sein.

Aufgrund der Verteilung von GPS-Satelliten über den Erdball ist es nicht möglich, dass US-Sendestationen jeden GPS-Satelliten im Fehlerfall abschalten. Nicht-US-Sender können und dürfen das natürlich nicht. Die einzige Möglichkeit für die Vermeidung der angesprochenen Probleme ist die Aussendung einer Warnmeldung. Stark vereinfacht sendet man im Fehlerfall ein Signal »GPS nicht verwenden! Satellit xx defekt!«. Aber wie kann man das über die ganze Welt senden, wenn die meiste Zeit die Satelliten gar nicht direkt ansprechbar sind? Man nimmt einfach ganz andere Satelliten, die mit GPS gar nichts zu tun haben. Als Senderelais ungeschlagen sind
geostationäre Satelliten wie zum Beispiel die bekannten Fernsehsatelliten Astra und Hotbird.

Man braucht also für die Fehleranzeige in einem Navigationssatellitensystem nur eine Reihe von ganz einfachen Bodenstationen (was nicht heißen soll, dass die EU diese Bodenstationen nicht extrem teuer bauen könnte), eine Sendestation zu einem oder mehreren Übertragungssatelliten (nicht komplizierter als ein TV-Satelliten-Uplink, und sowas gibt’s in jedem Fernseh-Übertragungswagen) und pro Kontinent zwei oder drei Kommunikationssatelliten, die nicht mal exklusiv für die GPS-Fehlerkorrektur zur Verfügung stehen müssen.


So funktioniert ein Korrektur- und Integritätsüberwachungssystem

In den USA arbeitet ein praktisch gleiches System bereits seit 2003: Jede der 25 amerikanischen Bodenstationen kennt natürlich hundertprozentig exakt seine eigene GPS-Position. Gleichzeitig hört es ständig auf die GPS-Signale aus dem All und berechnet wie ein ganz normales Navi anhand dieser Signale seine Position. Sobald die berechnete und die tatsächliche Position sich zu weit unterscheiden, schlägt die Bodenstation Alarm. Durch mehrere Vergleiche kann sie leicht herausfinden, welcher Satellit »daneben schießt«. Innerhalb von sechs Sekunden muss das Korrektursystem dann eine der beiden folgenden Aktionen durchführen: Man erreicht den Satelliten und kann ihn korrigieren oder abschalten, oder der Satellit ist außerhalb des Einflussbereichs, und dann wird die obige Warnmeldung ausgesandt, dass das GPS-Signal nicht mehr verwendet werden darf. Dieses Warnsignal wird einfach auf den GPS-Frequenzen über die Kommunikationssatelliten verbreitet, so dass es jeder GPS-Empfänger ohne Verzögerung empfangen kann.

Fehlerkorrektur

Das europäische Egnos und das amerikanische WAAS können aber mehr, als vor kompletten Ausfällen warnen. Weil ständig die berechneten und die exakten Positionen verglichen werden, kann das System recht einfach die über weite Gebiete gleichen Abweichungen ermitteln.

GPS ist theoretisch auf etwa 50 Zentimeter genau. Die weitaus größte Fehlerquelle ist die Ionosphäre der Erde beziehungsweise ihre von Gegend zu Gegend unterschiedliche Dichte. Während Licht im Vakuum knapp 300.000 km pro Sekunde zurücklegt, schafft es beispielsweise in hochreinem Glas nur 160.000 km/s. Genauso werden die Signale der GPS-Satelliten je nach Ionen-Dichte bzw. -Anzahl in der Ionosphäre mehr oder weniger gebremst. Dieser Effekt ist zwar minimal, führt aber zu Ungenauigkeiten von bis zu 10 Metern. (Die Dichte der Ionosphäre oder mit anderen Worten die Zahl der in ihr aufgefangenen Ionen von der Sonne ist fast proportional abhängig von der Sonnenstrahlung, so dass ein in Europa betriebener GPS-Empfänger in der Nacht immer genauer funktioniert als am Tag und im Winter immer genauer als im Sommer.)

Aus einem Vergleich der über GPS ermittelten und der tatsächlichen Position kann man die Dichte der Ionosphäre und die daraus bedingten Störungen ableiten. Diese Information sendet man dann an die GPS-Empfänger, damit diese die Ionosphärenfehler herausfiltern. Durch diese Korrektur arbeitete GPS in den USA schon vor über zwei Jahren im aktuellsten WAAS-Ausbaustadium mit einer durchschnittlichen Abweichung von nur 0,92 Metern im kostenlosen Dienst! Das ist weit besser als alles, was für den kostenlos nutzbaren Open Service des europäischen Galileo versprochen wird.


Egnos erfordert, dass das GPS-Gerät Sichtkontakt zum Egnos-Satelliten hat. Die Egnos-Satelliten hängen ziemlich genau dort am Himmel, wo auch die Fernsehsatelliten sind. Das heisst, das GPS-Gerät braucht im gleichen Winkel wie die Fernsehparabolantennen freie Sicht zum Himmel. Das ist in Städten nur selten der Fall, und schon eine Sichtschutzmauer neben der Autobahn verhindert den Egnos-Empfang. Wie bereits oben angemerkt, wird Egnos nicht betrieben für den Straßenverkehr, sondern in erster Linie für den Luftverkehr und in zweiter Linie für die Schifffahrt. Trotzdem werden alle Navi-Hersteller im nächsten Jahr ihre Geräte Egnos-kompatibel machen, weil sich „genauer als die anderen“ immer gut verkauft.

Die  Dichte der Ionosphäre kann innerhalb von ein paar hundert Kilometern deutlich variieren. Damit ändert sich die Laufzeit der Satellitensignale und damit wird die Positionsbestimmung minimal ungenauer.

Die Dichte der Ionosphäre kann innerhalb von ein paar hundert Kilometern deutlich variieren. Damit ändert sich die Laufzeit der Satellitensignale und damit wird die Positionsbestimmung minimal ungenauer.

Hier eine Karte der Ionosphären-Störungen vom Januar 2009. Von wenig nach viel Störungen: Dunkelblau, blau, hellblau, grün, gelb, rot.

Hier eine Karte der Ionosphären-Störungen vom Januar 2009. Von wenig nach viel Störungen: Dunkelblau, blau, hellblau, grün, gelb, rot.

Eine minutengenaue Weltkarte mit allen ionosphärischen Störungen finden Sie hier. Der Link führt zu Originalquellen des Jet Propulsion Laboratory der NASA. Sollte die folgende Seite kein Bild zeigen, probieren Sie es bitte eine Minute später nochmals.