GNSS (GPS-basierte Navigation)

GNSS / GPS — Grundlagen

GNSS (Global Navigation Satellite System) ist der Oberbegriff für satelliten­basierte Navigation. Mehrere Konstellationen, gemeinsam Standardvereinbart in ICAO Annex 10.

Quelle: ICAO Annex 10 Volume I, Kapitel 3.7 Global Navigation Satellite System.

Konstellationen (Core Systems)

NAVSTAR/GPS — was übermittelt wird

NAVSTAR/GPS dient dazu, Signale zu senden, aus denen Zeit, Position und Geschwindigkeit bestimmt werden können ("NAVSTAR/GPS serve to transmit signals from which time, position and speed can be determined"):

• Zeit über die Atomuhr-Stempel der Satelliten-Signale.
• Position über Trilateration (siehe unten).
• Geschwindigkeit über Doppler-Verschiebung oder Position-Veränderung über Zeit.

Funktionsprinzip — Trilateration

1. Jeder Satellit sendet kontinuierlich seine exakte Position und Zeit (Atomuhr).
2. Empfänger misst die Laufzeit vom Satelliten — die Distanz zu einem Satelliten wird durch Messung der Signal-Laufzeit (signal run time) berechnet ("the distance to a satellite is computed by measurement of the signal run time").
3. Aus Laufzeit × c (Lichtgeschwindigkeit) ergibt sich die Distanz zum Satelliten.
4. 3 Distanzen ergeben 2D-Position (Schnittpunkt 3 Kugeloberflächen), 4. Distanz korrigiert Empfänger-Uhrenfehler.

Anzahl Satelliten — 3D und RAIM

Für eine 3-dimensionale Positions­information müssen 4 Satelliten empfangen werden; zusätzlich kann mit einem 5. Satelliten die Genauigkeit zur Überprüfung der berechneten Position überwacht werden (RAIM) ("to obtain three-dimensional information, four satellites need to be receivable, additionally, accuracy can be monitored with a fifth satellite to check the computed position (RAIM)"):

• 4 Satelliten → 3D-Position (Lat, Lon, Alt) + Zeit­korrektur.
• 5. Satellit → RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring) prüft die Konsistenz und meldet, ob die Genauigkeit ausreicht.
• 6. Satellit → RAIM-FDE (Fault Detection and Exclusion) kann eine fehlerhafte Satelliten-Messung ausschließen.

WGS 84 — globales Datum

WGS 84 (World Geodetic System 1984) ist eine Karten-Basis, die die gesamte Erde abdeckt und als Grundlage für GNSS-Navigation dient ("WGS 84 is a chart base covering the entire Earth that serves as base for GNSS navigation"):

• Ein Referenz-Ellipsoid mit definierten Halbachsen (a = 6378,137 km, b = 6356,752 km).
• Definiert das globale Koordinatensystem für Lat/Lon und Höhe.
• Alle modernen Karten (ICAO 1
  seit ca. 2000) sind WGS-84-referenziert.

Map Data / Geodätisches Datum

Der Begriff "map data" beschreibt eine möglichst genaue Übereinstimmung zwischen Geoid und Ellipsoid (geodätisches Datum) für eine bestimmte Region ("the term 'map data' means a match of geoid and ellipsoid (geodetic datum) as accurate as possible for a certain region"):

• Geoid: tatsächliche Erdform inklusive lokaler Schwerkraft-Variationen (Mass-Konzentration).
• Ellipsoid: mathematisch glatter Referenzkörper.
• Datum: lokale Anpassung des Ellipsoids an den Geoid in einer Region (z.B. ED-50 in Europa, NAD-83 in Nordamerika, WGS-84 global).
• → Unterschiedliche Datums können Positionen um bis zu 300 m verschieben → Karten und GPS müssen das gleiche Datum verwenden (heute Standard: WGS 84).

Frequenzen (GPS Civil)

• L1: 1575,42 MHz — primärer ziviler Code.
• L2: 1227,60 MHz — zweiter Code (für Atmosphären­korrektur).
• L5: 1176,45 MHz — neuer ziviler Code (Modernized GPS, höhere Sicherheits-Anwendungen).

Augmentation Systems (SBAS / GBAS)

SBAS (Satellite-Based Augmentation System)

Erweitert GNSS um Korrekturen für bessere Genauigkeit und Integrität:

• WAAS (Wide Area Augmentation System) — USA.
• EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) — Europa, betrieben von EUSPA.
• MSAS — Japan.
• GAGAN — Indien.
• SDCM — Russland.

GBAS (Ground-Based Augmentation System)

Lokale Korrekturen für Präzisionsanflug an einem bestimmten Platz (CAT I/II/III). Zukünftiger ILS-Ersatz.

Genauigkeit (Stand 2024)

Genauigkeit unter widrigen Bedingungen

Bei der GNSS-Navigation kann eine Genauigkeit von ca. 70 bis 100 Metern unter widrigen Einflüssen angenommen werden ("an accuracy of approx. 70 to 100 meters within adverse influences can be assumed during navigation using GNSS"):

• Bei guten Bedingungen: 3-5 m (95 %).
• Bei widrigen Bedingungen (Ionosphäre, Multipath, schlechte Satellitengeometrie): bis 70-100 m.
• Pilot muss diese Spanne kennen und nicht von "Meter-genauer" Navigation ausgehen.

Erhöhte Genauigkeit

Eine Erhöhung der Genauigkeit kann mit Differential GPS und Carrier-Phase-Analyse erreicht werden ("an increase in accuracy can be achieved with differential GPS and carrier phase analysis"):

• DGPS: Bodenstation kennt ihre exakte Position und sendet Korrekturwerte → Empfänger erreicht < 1 m.
• Carrier Phase / RTK: Auswertung der Trägerwellen­phase (statt nur Code) → Genauigkeit im cm-Bereich.

Integrität — Warnung bei Unzulänglichkeit

Die Integritäts-Prüfung eines GNSS-Empfängers ist die Fähigkeit, dem Benutzer rechtzeitige Warnungen auszugeben, dass der Empfänger nicht mehr für Navigations-Zwecke verfügbar ist ("the integrity check of a GNSS receiver is the ability to issue timely warnings to the user that the receiver is no longer available for navigational use"):

• RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring) ist der Standard für diesen Check.
• Bei IFR-Anflügen mit GPS ist diese Funktion gesetzlich vorgeschrieben.

Genauigkeit technisch reduzierbar — US DoD

Die Genauigkeit von GNSS kann technisch durch das US Department of Defense (DoD) reduziert werden ("the accuracy of GNSS can be technically reduced by the US department of defence"):

• Historisch: bis Mai 2000 war Selective Availability (SA) aktiv — US-DoD reduzierte zivile Genauigkeit absichtlich um ±100 m.
• Seit Mai 2000: SA per Präsident-Clinton-Direktive abgeschaltet → volle zivile Genauigkeit.
• Hardware-Möglichkeit: in modernen GPS-Block-IIR-M und neuer Hardware ist die SA-Kontrolle technisch eingebaut, aber derzeit nicht aktiv. DoD könnte sie theoretisch reaktivieren in Konflikt­zonen.

Fehlerquellen — GNSS Positions­fehler

GNSS-Positionsfehler können verursacht werden durch Uhrenfehler und Topographie, Pseudo-Range-Fehler und Selected Availability sowie Störungen in der Ionosphäre ("GNSS positioning errors can be caused by clock error and topography, pseudo-range and selected availability as well as disruptions in the ionosphere"):

GNSS-Genauigkeit beeinflusst durch

Die GNSS-Positionsgenauigkeit kann durch die Ionosphäre (Beugung, Reflexion) und Wetter­phänomene in der Tropopause (Feuchtigkeit, Gewitter) beeinflusst werden ("GNSS positioning accuracy can be influenced by the ionosphere (diffraction, reflection) and weather phenomena in the tropopause (humidity, thunderstorms)"):

• Ionosphären-Effekte: Beugung und Reflexion bei Solar Flares.
• Tropopause-Wetter: hohe Feuchtigkeit und Gewitter können das Signal abschwächen.

Limitierungen — Signal-Abschattung

NAVSTAR/GPS-Signale können vollständig durch Teile des Flugzeugs abgeschattet werden ("NAVSTAR/GPS signals can be completely shaded by parts of the aircraft"):

• Tragflügel, Höhenleitwerk, Verkleidungen können Signale blockieren — vor allem bei tief montierter Antenne.
• Konsequenz: in Schräglage oder steilen Kurven kann der GPS-Empfänger einzelne Satelliten "verlieren".
• Lösung: GPS-Antenne an höchster, freier Position montieren (typisch oben am Rumpf).

POOR COVERAGE Nachricht

Eine Störung zwischen Empfänger und Satellit kann eine "POOR COVERAGE"-Nachricht am GNSS-Empfänger verursachen ("a disruption between receiver and satellite can cause a 'POOR COVERAGE' message on the GNSS receiver"):

• Bedeutung: zu wenige Satelliten empfangen oder Signal­qualität zu niedrig.
• Ursachen: Topographie (Berg, Gebäude), Antennen-Position (Schräglage), Jamming, Solar Storm.
• Pilot-Reaktion: GPS-Anzeige nicht vertrauen, auf konventionelle Navigation umsteigen.

Searching the Sky

Die Anzeige "Searching the sky" bedeutet, dass das System nach dem Einschalten ein Verfahren durchführt, weil keine Satelliten-Daten vorhanden sind ("the notification 'Searching the sky' means the system is executing a procedure after switching on the receiver, when no satellite data is available"):

• Bei Erst­start oder nach langer Pause: GPS sucht alle Satelliten ab → kann Minuten dauern.
• Bei warmem Re-Start: einige Sekunden bis 1 Minute.
• Während dieser Phase ist keine Positions­anzeige verfügbar.

Datenbank-Aktualität — AIRAC 28 Tage

Die Gültigkeit einer Datenbank-Speicherkarte beträgt laut Aufdruck 28 Tage ("the validity of a database memory card is 28 days according to print") — entspricht dem AIRAC-Cycle (Aeronautical Information Regulation and Control):

• Alle 28 Tage gibt ICAO einen neuen AIRAC-Cycle heraus mit aktualisierten Wegpunkten, Lufträumen, Anflug­verfahren.
• Outdated Database kann zu falschen Wegpunkten, Anflügen, Lufträumen führen.
• Für IFR-Flug gesetzlich Pflicht, aktuelle Datenbank zu haben (EU 965/2012, NCO.IDE.A.190).

CDI bei GPS — Lateral Offset

Die Course Deviation Indication (CDI) eines GNSS-Nav-Geräts zeigt die laterale Abweichung von der gewünschten Kurslinie ("the course deviation indication (CDI) of a GNSS nav device indicates lateral offset to the desired course line"):

• Anders als beim VOR (wo CDI Winkel-Abweichung in ° anzeigt) zeigt der GPS-CDI eine direkte Distanz-Abweichung (typisch 0,3-5 NM Full Scale, je nach Phase).
• En-Route: typisch ±5 NM Full Scale.
• Terminal: ±1 NM.
• Approach: ±0,3 NM.

Selective Availability (SA)

Historisch: bis Mai 2000 wurde GPS für zivile Anwender absichtlich verfälscht (US DOD, ±100 m Fehler). Präsident Clinton hob SA per Direktive auf — seitdem volle Civil-Genauigkeit. SA-Kontrolle ist mittlerweile in modernem GPS-Block IIR-M und neuer Hardware technisch nicht mehr eingebaut.

Position Lines / Standlinien

Standlinien (position lines) sind in der Navigation hilfreich bei Orientierungs­verlust ("the purpose of position lines in navigation is that they are helpful in case of loss of orientation"):

• Eine Standlinie ist eine Linie auf der Karte, auf der der Pilot mit Sicherheit liegt (z.B. ein VOR-Radial, ein NDB-Bearing, ein GPS-Distance-from-Waypoint).
• Zwei Standlinien schneiden sich → Positionsfix.
• Bei Orientierungs­verlust: Pilot fliegt zur nächsten markanten Standlinie (z.B. Fluss, Bahnlinie, VOR-Radial) und arbeitet sich von dort.