ÜBER DIE WIRKLICHE GENAUIGKEIT VON GPS

 

WELCHE GENAUIGKEIT KANN ICH VON MEINEM GPS GERÄT ERWARTEN ?

nüvi

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Erklärung der Hintergründe von Fehleinschätzungen
während einer virtuellen Autofahrt mit John P. Stenbit.

John Stenbit ist  "Assistent for GPS, Positioning and Navigation"   im Pentagon und schreibt die offiziellen Spezifikationen die vom Betreiber des amerikanischen GPS Systems garantiert werden.

EINE VIRTUELLE AUTOFAHRT :

Ich bringe John nach Hause zu bringen. Vor dem Pentagon hole ich ihn ab, er steigt in mein Auto.

"Hello", sagt John, "ich sehe du benutzt ein Navigationsgerät im Auto".

"Ja", sage ich, "das führt mich metergenau zu meinem Ziel. Euer GPS System muss ja sehr genau sein, in der Betriebsanleitung steht dass es 5 - 10 Meter genau anzeigt":

John dreht sich zu mir und sagt: "Ich fürchte dass die Hersteller der Geräte das anders ausdrücken als die Betreiber des Systems".

"Ist da ein Unterschied ?" frage ich ganz naiv, "mit welcher Genauigkeit glaubst du kann ich jetzt rechnen ?"

John sagt: "Ich drücke es erst einmal so aus:  Mehr als eine Stunde pro Tag musst du damit rechnen dass die Anzeige über 66 Meter Fehler hat".

Überrascht sehe ich ihn an und sage: 
"Ich weiss dass Genauigkeitsangaben immer verbunden sind mit einem Prozentwert der Zeit in der sie erfüllt werden. Wenn ich mich mit 68% zufrieden gebe ist die Genauigkeit doppelt so hoch wie wenn ich 95% der Zeit garantiert haben will. 
Meistens verwendet man 95%. Das heisst also dass 5% eines Tages, eine Stunde und 12 Minuten, der Wert überschritten werden kann. 
Du sagst also dass ich nur mit 66 Meter Genauigkeit rechnen kann für 95% der Zeit ? "

"Ja", sagt John," das wollte ich dir gerade sagen. Das ist die Genauigkeit in der Horizontalen. Für die Vertikale, also Höhen, musst du alle Fehler etwa doppelt so gross annehmen. Jetzt  willst du sicher wissen warum man die Genauigkeit nicht besser erwarten kann ?"

"Ja", sage ich, "das musst du erklären".

"Zunächst einmal musst du damit rechnen dass dein Gerät hier vor der Windschutzscheibe nur einen Teil des Himmels sieht und daher mit eng zusammenliegenden Satelliten rechnen muss.
Das ist etwa so wie wenn du mit dem Peilkompass zwei eng beieinanderliegende Leuchtfeuer anpeilst. 
Unsere Spezifikationen sind ausgelegt für Empfangsverhältnisse bei denen der  Empfänger alle Satelliten mit mehr als 5 Grad über dem Horizont sieht".

" Oh ", sage ich erstaunt, "das ist in bebautem Gebiet oder Tälern nie zu erreichen"

Geometr.Q
"Ja", sagt John, "tut mir leid, aber so ist es. Ganz optimistisch geschätzt hast du jetzt mit deinem Gerät einen Geometriefehler der 2 mal so gross ist als das was  wir bei voller Sicht auf die Satelliten garantieren".

Ich dividiere die 66 Meter durch 2 und sage: "Damit sagst du dass ich auch dann, wenn ich
meine Antenne im freien Gelände habe, rundherum nichts höher als 5 Grad, nur mit einer 
Genauigkeit von 33 Metern rechnen darf ?"

"Ja", sagt John, "das hast du richtig verstanden. Ich werde dir erklären warum das so ist:
Wir Betreiber können nur garantieren was wir beeinflussen können.  Das sind die Satelliten mit ihren Positionsgenauigkeiten, Uhren und Signalen. 
 Dafür garantieren wir 13 Meter horizontale Genauigkeit" .

" Das ist weniger als in meiner  Betriebsanleitung steht. Und wo bleibt die Differenz zu deinen 33 Metern ? "

"Ja," sagt John, "das ist in der Tat der vergessene Pferdefuss in der Geschichte. Das Problem ist dass die Signale der Satelliten im Übertragungsweg zum Empfänger Verzögerungen erfahren.
Du weisst dass das Prinzip des GPS Systems auf sehr genauer Laufzeitmessung zwischen Satellit und Empfänger beruht.  Alles was Signale verzögert macht zusätzliche Fehler zu unserer Satellitengenauigkeit von 13 Metern.
  Die Ionosphäre verzögert die Signale in unbekannter Grösse.

Eine Rolle spielen auch Reflexionen, wenn der Empfänger direkte und, zeitlich später, indirekte Reflexionen empfängt. Beim Fernsehen kennt man das als Schatten im Bild. Funkstörsignale kann es in gewissen Gebieten natürlich auch geben.
  Es ist daher realistischer mit 33 Metern zu rechnen".

Ionosphäre
"Dann lügen doch  Verkäufer und  Betriebsanleitungen welche von 10 Metern sprechen ?" frage ich. 

"Naja", sagt John, "zumindest wird da einiges verschwiegen.  Der Empfänger trägt übrigens auch etwas bei mit seinem Empfängerrauschen, aber das  liegt in der Gegend von 0,8 Metern". 

" Dann müsste ein Hersteller von GPS Empfängern eigentlich in seine Betriebsanleitung schreiben:
" Genauigkeit 75 Zentimeter", oder "85 Zentimeter" , je nach Qualität des Empfängers, alles andere kann der Empfänger sowieso nicht beeinflussen".

"Ja" , sagt John, "im Prinzip hast du recht, aber wer würde wegen  5 Zentimetern ein teureres Gerät kaufen?"

"Die Signalübertragung ergibt also letzten Endes nur 33 Meter Genauigkeit , obwohl die  Genauigkeit des Satellitensystemes 13 Meter kann. Was kann man gegen diese zusätzlichen Fehler und vor allem den grössten Übeltäter, die Ionosphäre, noch unternehmen ?"

"Um die eben genannten 33 Meter zu erreichen wird schon etwas getan. 
Wir senden mit den Daten jedes Satelliten Vorraussagewerte für die Ionosphärenaktivität. Jedes GPS Gerät benutzt diese Voraussagewerte um die Laufzeiten zu korrigieren. Trotzdem bleibt noch die Chance auf einen Fehler von 10 Metern und mehr. 
Endgültig werden wir das lösen durch die weltweite Einführung von Differential GPS und Verwendung einer zweiten zivilen Sendefrequenz . Beides korrigiert die Ionosphärenfehler."

Differential GPS
"Wenn GPS so genau wird, dann haben wir aber ein anderes Problem :
Wenn ich die Position vor meinem Haus sehr genau in eine Karte eintrage, dann stimmt das wieder nur dann, wenn die Karte mein Haus auch dort eingetragen hat  wo es ist, ansonsten bin ich wieder wo anders ?"

"Ja" , sagt John mit einem Seufzer, "da zeigst du ein echtes Problem auf. 
Die genaueste Positionsbestimmung ist unbrauchbar wenn ich nicht weiss was sich auf dieser Position befindet. Man diskutiert sehr viel über die Fehler von GPS Koordinaten, aber die Karten, welche das in die Realität umsetzen sind leider auch ungenau. 
Die GPS-Genauigkeit übertrifft die meisten derzeit käuflichen Karten, da müsste etwas getan werden. 
Aber das fällt nicht in mein Arbeitsgebiet".

Wir sind vor dem Haus von John angekommen. Ich fahre auf die Auffahrt und lasse ihn aussteigen.
" Du hast recht ", sage ich zum Abschied, "wenn wir über Genauigkeit reden, dann bist du nicht mehr das Problem . Ich muss einmal nachsehen wer eigentlich für die Karten verantwortlich ist und sie spezifiziert und garantiert".

"Dazu" , sagt John, "wünsche ich dir viel Erfolg ! "

Wer es ganz genau wissen will, kann den "SPS PERFORMANCE STANDARD" von John P. Stenbit aus dem Internet downloaden :

http://www.navcen.uscg.gov/gps/geninfo/2001SPSPerformanceStandardFINAL.pdf


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