GNSS (GPS, Glonass, Galileo, BeiDou)

Erklärung von GNSS (Global Navigation Satellite Systems) und Koordinatensystemen

1. Was ist GNSS?

GNSS (Global Navigation Satellite Systems) ist ein Oberbegriff für alle satellitengestützten Navigationssysteme, die weltweit zur Positionsbestimmung und Navigation verwendet werden. GNSS ermöglicht die genaue Bestimmung eines Standorts in Bezug auf ein globales Koordinatensystem, indem es Signale von mehreren Satelliten empfängt. Zu den bekanntesten GNSS-Systemen gehören:

• GPS (Global Positioning System): Das amerikanische Satellitennavigationssystem, das am weitesten verbreitet ist.
• GLONASS: Das russische GNSS.
• Galileo: Das europäische Satellitennavigationssystem.
• BeiDou: Das chinesische GNSS.

Diese Systeme arbeiten unabhängig voneinander, können aber auch zusammen genutzt werden, um die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu erhöhen.

2. Funktionsweise von GNSS

GNSS funktioniert durch den Empfang von Signalen von mehreren Satelliten, die in einer bekannten Position im Weltraum um die Erde kreisen. Jeder Satellit sendet ein Signal mit Informationen über seine Position und die genaue Uhrzeit. Ein GNSS-Empfänger, wie z. B. in einem Smartphone oder einer Vermessungsstation, empfängt diese Signale und berechnet die Entfernung zu jedem Satelliten basierend auf der Signalübertragungszeit.

Um die Position eines Empfängers genau zu bestimmen, müssen mindestens vier Satellitensignale empfangen werden. Die Position wird in Form von Koordinaten (Breite, Länge und Höhe) ausgegeben, die in einem globalen Koordinatensystem wie WGS84 (World Geodetic System 1984) dargestellt werden.

3. GNSS und Koordinatensysteme

Die meisten GNSS-Systeme, einschließlich GPS, arbeiten mit dem WGS84-Koordinatensystem. WGS84 ist ein globales geodätisches Datum und definiert die Position von Punkten auf der Erdoberfläche anhand eines Ellipsoids, das die Form der Erde modelliert. WGS84 wird häufig verwendet, da es ein weltweit einheitliches Referenzsystem bietet.

• WGS84: Ein globales Koordinatensystem, das sowohl ein geodätisches Datum als auch ein Koordinatensystem ist, das für die GNSS-Positionsbestimmung verwendet wird. Es stellt die Erde als abgeflachtes Ellipsoid dar und wird von GNSS-Systemen verwendet, um Positionen in Breiten- und Längengraden zu berechnen.

Koordinatenformate bei GNSS:

• Geografische Koordinaten (Lat/Long): Die Position wird in Breiten- und Längengraden (Latitude/Longitude) angegeben. Diese Koordinaten sind global gültig und beziehen sich auf das WGS84-Datum.
• Höhe über dem Geoid: GNSS-Geräte geben oft auch die Höhe eines Standorts an. Diese Höhenangabe basiert jedoch häufig auf dem Ellipsoid-Modell (in WGS84) und nicht auf dem physikalischen Geoid, das näher an der realen Erdform liegt.

4. Herausforderungen bei der GNSS-Nutzung und Koordinatensysteme

Datumstransformationen:

Ein wichtiges Problem bei der Verwendung von GNSS-Daten ist die Umwandlung zwischen verschiedenen geodätischen Bezugssystemen. Obwohl WGS84 ein weltweit anerkanntes Koordinatensystem ist, verwenden viele Länder oder Regionen eigene geodätische Bezugssysteme, die für lokale Messungen genauer sind. Dies erfordert eine Datumstransformation, um GNSS-Daten in das lokale Koordinatensystem zu konvertieren.

Beispiele für regionale Bezugssysteme:

• ETRS89 (European Terrestrial Reference System 1989): Wird in Europa häufig verwendet und basiert auf WGS84, wurde aber so angepasst, dass es für die europäische Erdbewegung stabiler ist.
• NAD83 (North American Datum 1983): Wird in Nordamerika verwendet und unterscheidet sich leicht von WGS84.

Die Umrechnung zwischen verschiedenen Bezugssystemen erfordert präzise Transformationen, um sicherzustellen, dass die Positionen korrekt sind. Bei falschen Transformationen können Abweichungen von mehreren Metern auftreten.

Genauigkeit der GNSS-Positionen:

Die Genauigkeit der GNSS-Positionsbestimmung hängt von mehreren Faktoren ab:

• Anzahl der Satelliten: Je mehr Satelliten empfangen werden, desto genauer ist die Positionsbestimmung.
• Atmosphärische Einflüsse: Störungen in der Ionosphäre und Troposphäre können die Signale verzerren und die Genauigkeit der Positionsbestimmung beeinträchtigen.
• Mehrwegeffekte: Reflektionen von GNSS-Signalen an Gebäuden oder anderen Objekten können die Berechnung der Position verfälschen.

Um die Genauigkeit zu verbessern, können Techniken wie Differentielles GNSS (DGNSS) oder Real-Time Kinematic (RTK) verwendet werden. Diese Methoden nutzen zusätzliche Korrektursignale, die von Bodenstationen gesendet werden, um die GNSS-Positionsgenauigkeit auf wenige Zentimeter zu erhöhen.

5. Transformation und Projektionen bei GNSS-Daten

GNSS-Daten werden typischerweise in einem geografischen Koordinatensystem (Lat/Lon in WGS84) bereitgestellt. Diese Koordinaten sind nützlich für globale Anwendungen, aber nicht ideal für genaue Messungen oder Kartenprojektionen. Um GNSS-Daten für spezifische Anwendungen (z. B. in der Kartografie oder Vermessung) zu nutzen, müssen sie in ein projeziertes Koordinatensystem umgewandelt werden.

• Projektionen: Um eine präzise Karte zu erstellen, muss die Kugeloberfläche der Erde auf eine zweidimensionale Fläche projiziert werden. Projektionen wie die UTM-Projektion (Universal Transverse Mercator) werden häufig verwendet, um GNSS-Daten in planare Koordinaten (Meter oder Fuß) umzuwandeln.
• Transformation von WGS84 in lokale Koordinatensysteme: Wenn die GNSS-Daten in einem lokalen Koordinatensystem verwendet werden sollen (z.B. ETRS89 oder NAD83), muss eine Transformation durchgeführt werden. GIS-Software wie QGIS oder ArcGIS bietet Werkzeuge, um solche Transformationen präzise durchzuführen.

6. Fazit

GNSS-Systeme bieten eine präzise und globale Möglichkeit, die Position auf der Erdoberfläche zu bestimmen. Sie verwenden das WGS84-Koordinatensystem, das weltweit anerkannt und standardisiert ist. Für lokale Anwendungen müssen GNSS-Daten oft in regionale Koordinatensysteme umgewandelt und ggf. in kartografische Projektionen übertragen werden. Dabei spielen Datumstransformationen und die Wahl des richtigen Koordinatensystems eine zentrale Rolle, um die Genauigkeit der Positionsdaten sicherzustellen.