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Unten: Erste GPS-Antenne |
Unten: Rundfahrt in Deutschland |
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Einleitung Das Vorläufersystem des GPS (Global Positioning System) war das Transit System. Das Transit System lieferte nur alle 70-120 Minuten eine genaue Position einen sogenannten Fix. Die Zeit zwischen diesen Fix-Positionen musste durch Koppelnavigation überbrückt werden. Die Güte der Koppelnavigation zwischen den Fix-Positionen hing vom Schiffskreiselsystem und vom Schiffslog ab. (Siehe dazu auch meinen Beitrag „Das Doppler Sonar“ unter den Betriebsverfahren.) Das amerikanische Verteidigungsministerium DOD ( Department of Defense) erteilte den Auftrag ein Satellitennavigations-System zu entwickeln welches genaue Positionen permanent und 24 Stunden am Tag bereitstellt. Das
GPS System wurde 1978 erstmalig mit 11 Satelliten im All in Betrieb genommen.
Im Jahr 1979 war das System auf 18 Satelliten ausgebaut und 1980 wurden
die Atom-Uhren in den Satelliten aktiviert. Präsident Reagan erlaubte
ab 1983 auch die kostenfreie zivile Nutzung des GPS System. Der Grund für
diese Genehmigung war der Abschuss eines verirrten koreanischen Jumbo-Jets
über Russland.
Der
erste zivile GPS Empfänger
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Unten: Erste GPS-Antenne |
Unten: Rundfahrt in Deutschland |
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Wir
haben uns von Trimble einen der ersten 4000A Empfänger
besorgt und dieses Gerät auf Messen und bei unseren Kunden bekannt gemacht. Für diesen Zweck haben wir einen 20'-Container mit Kommunikations- und Navigationsgeräten ausgerüstet und dann auf einen LKW installiert. Während der Fahrten haben wir den 4000A im Stand und in der Fahrt permanent getestet, die Ergebnisse waren allerdings nicht sehr beeindruckend: Die Bedeckung mit Satelliten war noch spärlich. Mit einer speziellen Software konnte man berechnen zu welcher Tageszeit überhaupt eine Positionsbestimmung möglich ist und mit welcher Präzision diese dann dargestellt wird. Die für die Berechnung benötigten aktuellen Bahndaten erhielten und speicherten wir über den Empfänger 4000A. Links: Messe in Bahrain |
| Der
erste Einsatz mit dem 4000A
Im Sommer 1983 habe ich dann den ersten Auftrag mit diesem 4000A GPS RX durchgeführt. Die Aufgabe war die Position der Bohrinsel „Neddrill“ mit diesem Gerät einzumessen. Die Bohrinsel war in der Nordsee vor der holländischen Küste mit der Suche nach Erdöl und Erdgas beschäftigt. Vor den Herbst- und Winterstürmen sollte die Bohrinsel in den sicheren Hafen gebracht werden. Im Frühjahr des folgendes Jahres wollte man diese Position ohne Zeitverzögerung wiederfinden. Natürlich wurde das Bohrloch auch mit einer Boje markiert und nach anderen Verfahren eingemessen aber auch mit dem jetzt aktiven GPS System. Die Bojen wurden häufig durch Eisgang und Sturm vertrieben und die sonstigen Messverfahren waren nicht ausreichen präzise um das Bohrloch zügig wieder zu finden. Die so gefundene Schwerpunktposition wurde per Satellitenkommunikation an das DHI in Hamburg übermittelt. Dort wurde die Position von WGS System in das ED System umgerechnet und diese Position haben wir in die Seekarte eingetragen. Im Frühjahr 1984 hat die Bohrinsel „Neddrill“ diese Position zügig wiedergefunden. |
 Die Satellitenbedeckung war im Jahr 1983 noch spärlich, in einem Zeitraum von 24 Stunden gab es nur drei „Bedeckungs- fenster“ die für jeweils eine Stunde gute Messungen zuließen. Mit einem Computerprogramm konnte man diese Zeitfenster voraus berechnen, die dafür benötigten Bahndaten der Satelliten wurden über den 4000A in den Berechnungs-PC geladen. In sechs aufeinander folgenden Messfenstern wurden alle Positionsdaten gespeichert, daraus wurde der Positions- schwerpunkt berechnet. Oben: Ankunft auf der Bohrinsel Rechts:
Alles gut verpackt
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| Heute, im Jahr 2008, würde man die so gefundene Position in eine Seekarte basierend auf dem WGS84 (World Geodetic System 84) Kartendatum eintragen und der Auftrag wäre erledigt. Durchweg alle Seekarten im Jahr 1983 basierten auf dem ED50 Kartendatum. (European Datum 50) und die Umrechnung war noch kein Gemeingut. |
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Foto
oben links: Empfänger und Auswertung
Oben rechts: Während der Messung Links: An Bord der Bohrinsel "Neddrill" |
| Einsatz
in der Seeschiffahrt
Solange die Nutzung des GPS Systems nicht 24 Stunden verfügbar war konnten sich diese Geräte an Bord nicht durchsetzen. Einige neuere Transit Geräte ließen sich auf den GPS Betrieb aufrüsten. Beim damaligen DHI habe ich die Typzulassung von einigen Geräten betrieben. Einige Reedereien haben GPS-Geräte neben den Transit, Decca und Loran Systemen erprobt. Eine künstliche Verschlechterung (SA) des Signals gab es zu diesem Zeitpunkt noch nicht. Das bedeutet, wenn mindestens 3 GPS Satelliten mit einem guten P-DOP unter 3 empfangen wurden, war die GPS Position auch über längere Zeit präzise. Der Unfall des Space Shuttle „Challenger“ 1986 warf die Planungen für den vollen Ausbau des GPS Systems empfindlich zurück. Die Space Shuttle waren für den Transport der neuen Block II Satelliten vorgesehen. Das Programm wurde umgestellt und weitere Satelliten wurden mit Delta Raketen in die Umlaufbahn gebracht. Die Selective Availabilit (SA) war geschaltet und damit die erreichbare Positionsgenauigkeit künstlich verschlechtert. Ohne SA war die Positionsgenauigkeit bei einer guten Satelliten-Konstellation auf 10-15 Meter genau. Durch SA wurde dieser Wert periodisch schwankend um 100 bis 300 Meter künstlich verschlechtert. Bis 1986-1987 hat man geglaubt, dass 18 GPS Satelliten für einen stabilen 24 Stunden Betrieb ausreichen. Es stellte sich aber heraus, dass das nicht der Fall war. Deshalb wurde das System 1988 auf 24 Satelliten aufgerüstet. Jetzt war auch der durchgehende weltweite Betrieb im GPS System möglich. Bei Vorträgen, Schulungen und Messen habe ich oft das Argument gehört, dass das amerikanische Verteidigungsministerium DOD das GPS System bei Bedarf einfach abschaltet. Mir ist kein einziger Fall bekannt geworden in welchem das System aus politischen Gründen abgeschaltet wurde. Ein weiteres Argument war häufig, der SA wird im Kriegsfall auf dem zivilen Kanal sehr hoch eingestellt z.B. im Golfkrieg 1990-1991. Genau das Gegenteil war der Fall, der SA wurde komplett abgeschaltet. Der Grund war, dass die amerikanische GPS Industrie nicht genug militärische Geräte für den P/Y Code liefern konnte. Stattdessen bekamen die Truppen zivile Geräte für den C/A Code. Diese lieferten präzise Positionen aber nur mit abgeschaltetem SA. Offiziell wurde das GPS System am 17. Juli 1995 in den Vollbetrieb genommen. Die erzielbaren Positionsgenauigkeiten waren für z.B. Atlantik-Überquerungen natürlich voll ausreichend aber für genaue Ansteuerungen, Vermessungen usw., war die Positions-Genauigkeit nicht zufrieden stellend. Eine wesentliche Verbesserung der Positions-Genauigkeit wurde durch die Einführung des DGPS (Differential GPS) Verfahren erreicht. Viele Nationen haben entlang der Küsten DGPS Sendestationen errichtet, die über Funk Korrekturdaten aussenden. Auf einer genau vermessenen Position wird dazu die GPS Antenne eines speziellen Empfängers installiert. Die vermessenen Position wird in den Empfänger einprogrammiert. Das Gerät vergleicht nun die empfangenen Positionsdaten mit der fest gespeicherten Position. Aus der Differenz werden Korrekturdaten ermittelt und über Funk als RTCM Code ausgestrahlt. Die Ausstrahlung erfolgt im Frequenzbereich um 313 kHz. Ein DGPS-fähiges Gerät an Bord empfängt diese Korrekturdaten und addiert oder subtrahiert den Wert zur GPS Position des Empfängers. Trotz SA wird dadurch die Positionsgenauigkeit auf einen Wert von 3-5 Metern gebracht. Präsident Clinton hat 1996 angeordnet, den SA baldmöglichst abzuschalten, um die Positionsgenauigkeit auf dem zivilen Kanal wesentlich zu verbessern. Am 2. Mai 2000 wurde die künstliche Verschlechterung des zivilen Kanals endgültig abgeschaltet. Damit war die erreichbare Positionsgenauigkeit bei einem Wert von 5-10 Metern. Alle Nationen haben die RTCM Sendestationen aber weiter in Betrieb, was die Genauigkeit auf Werte von 2-4 Meter verbessert. Für den deutschen Bereich der Nordsee steht die Sendestation auf Helgoland, für den Bereich der Ostsee ist die Station Groß Mohrdorf zuständig. Für den GPS Empfang sowie den RTCM Empfang wird eine gemeinsame Antenne benutzt. Sie ist über ein Koaxkabel mit dem Empfänger verbunden. Darüber läuft die Speisung der aktiven Antenne sowie das Positions- und das Korrekturdatensignal. Typisch werden zwei DGPS Geräte installiert. Das Ausgangssignal 200 ppNM (200 Pulse per Nautical Mile) wird über einen Verteiler und Verstärker an angeschlossene Navigationsgeräte verteilt, z.B. Radar, Kartenplotter usw. Über einen Umschalter lässt sich dieses Signal auf den Reserve-DGPS Empfänger schalten. Einige Navigationsgeräte können mit den 200 ppNM nichts anfangen, sie bekommen dann NMEA-Sentencen vom Ausgang des DGPS-Gerätes geliefert. Auf dem Bild der DGPS-Anordnung auf dem Passagierschiff "Europa" sieht man dazu auch noch ein Loran Gerät LRX22P integriert. |
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Unten: DGPS Gerät Debeg 4412B |
Unten: Rückansicht Debeg 4412B mit Schnittstellen |
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| DGPS
Betrieb
Auch wenn die künstliche Verschlechterung (SA) abgeschaltet ist bringt die Benutzung des DGPS Verfahrens eine Verbesserung der Positionsgenauigkeit. Weltweit gibt es Sendestationen, die Korrekturdaten ausstrahlen. Für den deutschen Bereich der Nordsee gibt es die Station auf Helgoland, für den Bereich der Ostsee die Station Groß Mohrdorf. |
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Oben: Sendestation Groß Mohrdorf Links: Sendestation Helgoland |
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Links:DGPS
Empfänger Debeg 4412B im praktischen Betrieb.
Das Gerät war über einige Jahre das Standard DGPS Gerät und wurde auf vielen Seeschiffen als Doppelpack installiert. (Ein Gerät als Reserve) Auf der linken Seite sieht man 3 LEDs. Die hier aktive grüne LED zeigt an, dass das Gerät betriebsbereit ist und im DGPS Mode arbeitet. Darüber befindet sich eine gelbe LED die signalisiert "GPS Empfang OK aber keine Korrekturdaten". Die LED ganz oben hat eine rote Farbe und leuchtet, wenn das Gerät ist nicht betriebsbereit ist. Im Multi Display werden die Position, Kurs über Grund (COG), Geschwindigkeit über Grund (SOG) und das aktuelle Kartendatum WGS84 angezeigt. Mit den Tasten auf der rechten Seite und unter dem Display lassen sich vielfältige Einstellungen vornehmen. |
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| Oben
links: Das Satellitendisplay
zeigt den Satellitenstatus an: Auf der linken Seite die derzeit empfangenen
Satelliten mit zugehöriger Nummer und Empfangspegel. Auf der rechten
Seite die Verteilung der Satelliten im Raum.
Oben rechts: Die Referenzdaten Unter Status wird angezeigt, dass Gerät befindet sich im DGPS Modus. Darunter werden die Daten der benutzten (vollautomatische Auswahl) Referenzstation angezeigt. Die ID Nummer und die angezeigte Frequenz geben an, dass es sich um die Station Groß Mohrdorf handelt. Die Baudrate der Korrekturdaten arbeitet mit 100 Baud und die Entfernung beträgt 190 KM. Darunter werden der Geräuschpegel und die Feldstärke des Signals angezeigt. Auf der rechten Seite sieht man eine Liste der benutzten Korrekturdaten pro Satellit. Die schwarz eingefärbten sind aktiv. Ganz rechts sieht man die Zeit der letzten Korrektur in Sekunden. |
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Links:
Das Einstellungsdisplay ist
das Hauptmenü der Konfiguration des Debeg 4412B. Von hier aus lassen
sich viele Funktionen einstellen. Die Beschreibung jedes einzelnen Punktes
würde den Rahmen dieses Artikels sprengen.
Nach dem Debeg 4412B DGPS Gerät wurde über längere Zeit die Kombination NT 100 + NT 200 eingesetzt. Der im Jahr 2008 aktuelle DGPS Empfänger ist der R4 GPS-DGPS RX (siehe Foto weiter oben) |
 Zum
Teil 2 dieses Berichtes
Zum
Teil 3 dieses Berichtes
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