Open Source im professionellen Einsatz
Linux-Magazin 12/2009

GPS-Geräte unter Linux ansprechen

Genau verortet

Wie Satellitennavigation mit GPS funktioniert, welche Geräte mit Linux zusammenarbeiten und welche OpenSource-Software es gibt, um die Daten zu extrahieren.

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Schuld trägt wie so oft das amerikanische Verteidigungsministerium. Bereits 1973 fassten Verantwortliche aus U.S. Navy und Air Force den Beschluss, ein militärisches, satellitengestütztes Navigationssystem aufzubauen. Heute, 36 Jahre später, umkreisen etwa 30 Satelliten (Abbildungen 1 und 2) des auch zivil nutzbaren Global Positioning Systems (GPS) mit fast 4 Kilometer pro Sekunde in einer Höhe von 20 000 Kilometern unseren Planeten. Über die ganze Erde verteilte Kontrollstationen messen, berechnen und korrigieren Uhrzeiten und Positionen, und auf den winzigen Displays in der Hand der Endkunden binden GPS-Empfänger den aktuellen Standort in meist proprietäres Kartenmaterial ein.

Abbildung 1: Ab 2014 Realität: Ein GPS-Satellit der dritten Generation an seinem Arbeitsplatz. (©NASA)

Abbildung 2: Zum Space Segment, den GPS-Satelliten, kommen die Kontrollstationen (Control Segment) und die GPS-Empfänger als User Segment.

Korea, Navstar, Golfkrieg

Für die zivile Nutzbarkeit bedurfte es einer Flugzeugkatastrophe: Als sich 1983 unter mysteriösen Umständen ein koreanisches Flugzeug über russischem Territorium verirrte, fackelte die Sowjetarmee nicht lange und schoss es ab. Um derartige Katastrophen zu vermeiden, beschlossen die USA, das 1978 gestartete, militärische Navstar (Navigation System for Timing and Ranging) auch für zivile Nutzung bereitzustellen, was der ohnehin schwächelnden Finanzierung der auf- wändigen Satellitentechnik einen wahren Boost verschaffte.

Aber die private Nutzung unterlag lange starken Einschränkungen. Genauere Positionsbestimmung als plus/minus 100 Meter ließen die US-Militärs nur für ihre Zwecke zu, bis Präsident Bush Senior in den ersten Golfkrieg zog. Weil da nicht genügend militärische Empfänger verfügbar waren, beschloss die Army, auch zivile Geräte zu verwenden und stattdessen die so genannte Selective Availa- bility (SA) auszuschalten. Ab sofort lag die zu erwartende Positionsgenauigkeit auch für Zivilisten in einem Bereich von 15 Metern. Aber 1991 reaktivierte das Militär die auf einem Zufallsgenerator basierende künstliche Verschleierung des Signals. Erst Präsident Clinton erhob die Verfügbarkeit hochauflösender Positionsdaten zum Allgemeingut und ließ die SA ab dem Jahr 2000 dauerhaft deaktivieren, was das System einem breiten Benutzerkreis bekannt machte. Mahnende Kritik gab es immer wieder für die Abhängigkeit vom amerikanischen Militär, nicht zuletzt deshalb entstand das ehrgeizige Galileo-GPS-Projekt der EU [1].

Heute erreichen moderne GPS-Empfänger theoretisch sogar Genauigkeiten im Bereich weniger Meter, weil zum Beispiel bei Technologien wie Differential GPS (DGPS) und Wide Area Augmentation System (WAAS) Bodenstationen als Referenzen dienen. Die hochwertigen Empfänger von Geodäten schaffen sogar Genauigkeiten im Millimeterbereich. Vorsicht ist trotzdem geboten, denn zum einen verspricht das Marketing der Hersteller oft optimistische Werte, zum anderen gestaltet sich eine korrekte Messung bei bewegten Empfängern sehr schwierig, auch die Höhe über (oder unter) null spielt dabei eine wichtige Rolle.

37 500 Bits bei 50 Bit/s

Jeder GPS-Satellit sendet (stark vereinfacht dargestellt) regelmäßig ein Zeitsignal, seine Kennung und seine aktuelle Position. Der GPS-Empfänger berechnet nun den Abstand zum Satelliten aus der Laufzeit des Signals, also den Unterschied zwischen der Uhrzeit des Sendens und des Empfangs auf dem Gerät.

Um seine Position akkurat zu bestimmen, braucht das Gerät in der Praxis Kontakt zu mindestens vier Satelliten, je mehr Signale es empfängt, desto genauer und schneller lässt sich der Standort berechnen. Aus regelmäßigen Messungen ergeben sich Bewegungsprofile und Geschwindigkeiten, wobei sich die Qualität der Empfangsgeräte auch in der Frequenz der Berechnung unterscheidet. Mehr Details zu Berechnung und Fehlerkorrekturen bei der Positionsbestimmung mit GPS findet sich unter [2].

Der Aufbau eines GPS-Signals ist komplex und das Ergebnis jahrzehntelanger Forschung. Zivile GPS-Signale der L1-Frequenz liegen auf 1,575,42 MHz, die für das überwiegend militärische Precision Position Coding (PPS) genutzte L2-Frequenz etwas darunter. Die Daten reisen dabei huckepack, auf das Trägersignal durch Phasenmodulation aufmoduliert, im Gegensatz zur bekannteren Frequenz(FM) oder Amplitudenmodulation (AM).

Ein Datensignal umfasst 25 Blöcke à 1500 Bits, insgesamt also 37 500 Bits, und gelangt mit einer Übertra gungsrate von 50 Bit/s zum Empfänger. Das Signal besteht aus drei großen Blöcken: einer Navigations-Message mit Uhrzeit und Zustand des Satelliten, der Ephemeris mit den exakten Daten des Orbits und drittens dem Almanach mit den kompletten Daten aller GPS-Satelliten und diversen Informationen über zum Beispiel die Beschaffenheit der Ionosphäre, der größten Fehlerquelle.

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