Funktionsweise von GNSS und wichtige Produkte – u-blox, Trimble, Fixposition

GNSS (Globales Navigationssatellitensystem) ist ein Sensor, der die absolute Position eines Empfängers – Breitengrad, Längengrad und Höhe – aus den Laufzeitdifferenzen von Funksignalen berechnet, die von mehreren Positionierungssatelliten ausgesendet werden. „GNSS“ ist der Oberbegriff für Konstellationen wie GPS (USA), GLONASS (Russland), Galileo (Europa) und Beidou (China). Über Japan ergänzt das Quasi-Zenith-Satellitensystem „Michibiki“ (QZSS) GPS. Während ein propriozeptiver Sensor wie eine IMU nur relative Verschiebungen messen und Drift akkumulieren kann, liegt die größte Stärke von GNSS darin, dass es stets absolute Koordinaten ausgibt. Allerdings weist die alleinige Positionsbestimmung oft Fehler von mehreren Metern auf, was für hochpräzise Anwendungen wie autonomes Fahren oder Präzisionslandwirtschaft unbrauchbar ist.

GPS-Satellitenkonstellation

Vermessungsarbeiten mit einem RTK-GNSS-Empfänger

Bilder: GPS Satellitenkonstellation (U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration, gemeinfrei) / Survey Arbeiten mit einem RTK-GNSS-Empfänger (Jacob Wysko, CC BY 4.0), Wikimedia Commons.

Bild: Orbit Vergleich von GPS, GLONASS, Galileo und Compass (Beidou) vor der Internationalen Raumstation, dem Hubble-Weltraumteleskop und der geostationären Umlaufbahn (cmglee, CC BY-SA 3.0 / GFDL), Wikimedia Commons. Jede nationale GNSS-Konstellation umkreist die Erde in einer mittleren Erdumlaufbahn (MEO) in etwa 20.000 km Höhe.

Prinzip: Fehlerquellen bei der Positionsbestimmung mit einem einzelnen Empfänger und Kompensation der ionosphärischen Verzögerung durch Zweifrequenzsysteme

Die Positionsbestimmung mit einem einzelnen GNSS-Empfänger (Berechnung eines Fixes) funktioniert durch Messung der Pseudostrecke zu jedem Satelliten anhand der Laufzeit des Funksignals. Anschließend werden die Entfernungen mehrerer Satelliten mittels Trilateration kombiniert. Zur Positionsbestimmung. Diese Pseudostrecke enthält mehrere überlagerte Fehlerquellen.

Hierbei ist R die wahre geometrische Entfernung zwischen Satellit und Empfänger, c(\delta t_r - \delta t_s) der kombinierte Empfänger-/Satelliten-Uhrenfehler, I die ionosphärische Verzögerung, T die troposphärische Verzögerung, M der Mehrwegefehler (durch Reflexionen von Gebäuden oder dem Boden) und \varepsilon das Empfangsrauschen. Die ionosphärische Verzögerung I besitzt eine nützliche Eigenschaft: Sie ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Trägerfrequenz.

TEC ist hier das Elektronendichteintegral entlang des Signalwegs in Elektronen/m², f in Hz und I in Metern. Ein TECU entspricht 10¹⁶ Elektronen/m². Dieser positive Term ist die Codegruppenlaufzeit; der Trägerphasenterm erster Ordnung hat das entgegengesetzte Vorzeichen. ESA Navipedia.

Aufgrund dieser Eigenschaft kann ein Empfänger durch die Beobachtung desselben Satelliten auf zwei oder mehr verschiedenen Frequenzen (L1 und L2 oder L1/L2/L5) den größten Teil der ionosphärischen Verzögerungskomponente allein durch Berechnung kompensieren. Daher ist die „Zweifrequenzpositionierung“ zum Standard für hochpräzise GNSS-Empfänger geworden. Die Zweifrequenzpositionierung kann den Positionsfehler auf wenige Meter reduzieren, jedoch bleiben troposphärische Verzögerung, Mehrwegeausbreitung und Satellitenbahnfehler bestehen – und erreichen allein keine Genauigkeit im Zentimeterbereich.

Prinzip: Zentimetergenauigkeit mit RTK erreichen

RTK (Real Time Kinematic) verwendet eine „Basisstation“, deren Position im Voraus genau bekannt ist. Diese Basisstation sendet Fehlerinformationen aus ihren eigenen Satellitenbeobachtungen. Die Trägerphasenmessungen werden in Echtzeit an den „Rover“ – den Empfänger, dessen Position wir bestimmen möchten – übermittelt. Dadurch werden Fehlerkomponenten kompensiert, die sowohl der Basisstation als auch dem Rover gemeinsam sind: ionosphärische und troposphärische Verzögerungen sowie Satellitenbahnfehler. Je näher Basisstation und Rover beieinander liegen, desto stärker korrelieren diese Fehler (und desto besser lassen sie sich kompensieren). Daher ist RTK typischerweise nur innerhalb eines Radius von etwa zwölf Kilometern um die Basisstation praktikabel. Mit dieser Korrektur reduziert RTK den Fehler der herkömmlichen GNSS-Positionierung von mehreren Metern auf Zentimetergenauigkeit.

Ein alternativer Ansatz, der mit nur einem Empfänger und ganz ohne Basisstation eine Genauigkeit im Zentimeterbereich erreicht, ist PPP (Precise Point Positioning). Hochpräzise Satellitenbahn- und Taktkorrekturen werden über Kommunikationssatelliten oder das Internet an den Empfänger übertragen. Dies tauscht eine lange Konvergenzzeit (typischerweise mehrere Minuten) gegen eine hochpräzise Positionierung ohne Basisstation. Trimbles RTX (CenterPoint RTX) ist ein bekanntes Beispiel für „PPP-RTK“, eine Weiterentwicklung von PPP-RTK. PPP: In ausgewählten Regionen konvergiert es in unter einer Minute, weltweit in unter drei Minuten und erreicht Berichten zufolge eine horizontale Genauigkeit von 2 cm und eine vertikale von 5 cm (jeweils RMS). Während RTK durch den Abdeckungsradius seiner Basisstation begrenzt ist, liegt die Stärke von PPP-RTK genau in großflächigen oder internationalen Einsätzen, wo der Aufbau eines Basisstationsnetzes unpraktisch ist.

Vergleich der wichtigsten Produkte nach Spezifikation

Trimble CenterPoint RTX | PPP-RTK-Korrekturdienst | 2 cm horizontal, 5 cm vertikal (RMS) | In Kombination mit einem Multifrequenz- und Multikonstellationsempfänger | Weltweit höchste Genauigkeit ohne Basisstation; Konvergenz in 1–3 Minuten |

John Deere StarFire 7500 (SF-RTK) | Empfänger für Landmaschinen | 2,5 cm horizontal | GPS/GLONASS/Beidou/Galileo | Erreicht RTK-Genauigkeit durch ein Korrektursignal ohne zusätzliche Hardware |

Fixposition Vision-RTK 2 | Sensorfusions-Positionierungseinheit | 1,0 cm + 1 ppm, horizontal und vertikal | GPS/GLONASS/Beidou/Galileo (Dualfrequenz) Empfänger) | Kombiniert RTK mit IMU und visueller Odometrie; Ausgaberate bis zu 200 Hz |

Der u-blox ZED-F9P ist wohl das Produkt, das RTK-GNSS am stärksten in Vermessung, Landwirtschaft und Robotik vorangetrieben hat, indem er die Preise für RTK-fähige Module auf unter 1000 Yen gesenkt hat. Er empfängt gleichzeitig GPS, GLONASS, Galileo, Beidou und QZSS. Mit SPARTN – dem Korrekturdatenformat von u-blox – wurde eine Genauigkeit von ca. 6 cm horizontal / 12 cm vertikal erreicht. Er ist in einer L1/L2- und einer L1/L5-Variante erhältlich, wobei letztere in dicht bebauten Gebieten mit hoher Bebauung, die die Satellitensicht beeinträchtigen, Vorteile bieten soll. Der mosaic-X5 von Septentrio verfolgt alle wichtigen Satellitenkonstellationen gleichzeitig über 448 Hardwarekanäle und verfügt über eine proprietäre Technologie zur Interferenz- und Mehrwegeunterdrückung. Dies verschafft ihm einen Vorteil in Bezug auf Vibrationen und In Umgebungen mit starken Funkstörungen, wie sie für UAVs und Drohnen typisch sind, bietet das Fixposition Vision-RTK 2 eine Lösung. Es kombiniert RTK-Positionierung mit IMU- und visuellen Odometriedaten, verfügt über zwei Dualfrequenzempfänger und unterstützt alle vier wichtigen Satellitenkonstellationen. Die maximale Ausgaberate von 200 Hz ist besonders wichtig für Anwendungen, die die Lage und Position eines sich schnell bewegenden Fahrzeugs in Echtzeit verfolgen müssen.

Das Ende der absichtlichen Genauigkeitsverschlechterung von GPS und Michibikis fester Standort über Japan

GPS wurde ursprünglich vom US-Militär für militärische Zwecke entwickelt. Selbst nach der Öffnung für die zivile Nutzung enthielt es eine bewusst eingebaute Funktion namens Selective Availability (SA), die dem Signal absichtlich Fehler hinzufügte. Solange SA aktiv war, konnte der Fehler eines einzelnen zivilen Empfängers bis zu etwa 100 Meter betragen – eine erhebliche praktische Einschränkung. Am 2. Mai 2000 wurde SA nach einer Entscheidung des damaligen US-Präsidenten Bill Clinton abgeschaltet, und der Fehler ziviler Empfänger sank über Nacht. Die Genauigkeit sank von ±100 m auf etwa ±10–20 m. Diese Änderung wurde 2007 endgültig beschlossen, als die Beschaffung der nächsten Generation von „GPS III“-Satelliten – die ohne jegliche Satellitennavigationsfunktion gebaut wurden – formell beschlossen wurde. Die Navigation mit einer Genauigkeit von wenigen Metern, die wir heute auf unseren Smartphones als selbstverständlich ansehen, wäre ohne diese Richtlinienänderung aus dem Jahr 2000 schlichtweg nicht möglich.

Auch Japan hat seinen Beitrag zu dieser Entwicklung geleistet: das Quasi-Zenit-Satellitensystem „Michibiki“ (QZSS). Der erste Satellit wurde im September 2010 gestartet, und seit November 2018 ist eine Konstellation aus vier Satelliten in Betrieb. Die Michibiki-Satelliten fliegen in einer sogenannten „Quasi-Zenit-Umlaufbahn“, einer speziellen Umlaufbahn, die so konstruiert ist, dass sich immer mindestens ein Satellit nahezu direkt über Japan befindet (nahe dem Zenit). In Japans unwegsamem Gelände und den dicht bebauten Stadtgebieten, wo hohe Gebäude und Berge herkömmliche GPS-Satelliten regelmäßig blockieren, ist ein Signal, das aus der Nähe des Zenits eintrifft, deutlich weniger wahrscheinlich zu empfangen. Michibiki verbessert die Positionsstabilität in Kombination mit GPS deutlich. Zusätzlich sendet Michibiki ein kostenloses, zentimetergenaues Zusatzsignal namens CLAS, mit dem ein kompatibler Empfänger ohne zusätzliches Basisstationsnetzwerk eine zentimetergenaue Position erreichen kann.

GNSS weist jedoch eine bekannte Schwachstelle auf: Spoofing. Zivile GPS-Signale sind weder verschlüsselt noch authentifiziert, was es prinzipiell ermöglicht, gefälschte Satellitensignale auszusenden und einen Empfänger zur Berechnung einer falschen Position zu verleiten. Mehrere arXiv-Veröffentlichungen, die um 2025 erschienen sind (z. B. arXiv:2506.08445, „GPS Spoofing Attacks on AI-based Navigation Systems with Obstacle Avoidance in UAV“), dokumentieren Spoofing-Angriffe, die den geschätzten Positionsfehler einer Drohne auf über 20 Meter erhöhen und bei Flugsteuerungen ein instabiles, oszillierendes Korrekturverhalten zeigen, wenn sie auf die gefälschte Positionsrückmeldung reagieren. Die Tatsache, dass GNSS nicht bedingungslos darauf vertrauen kann, „immer die korrekte absolute Koordinate zurückzugeben“, ist keine Randnotiz – sie ist ein ernstzunehmendes Problem. Designüberlegungen für die Sensorfusionsarchitektur autonomer Fahrzeuge und Roboter.

Ein Praxisbeispiel: RTK-GNSS-Autolenkung in Landmaschinen

Eines der Anwendungsgebiete, in denen sich RTK-GNSS am weitesten etabliert hat, ist die Landmaschinenindustrie. Kubota hat ein landesweites RTK-GNSS-Basisstationsnetz aufgebaut – von rund 40 Standorten im Januar 2021 auf 342 Standorte (davon 82 von Partnerhändlern installiert) im April 2024. RTK-GNSS ermöglicht präzises Autolenken mit einer Genauigkeit von nur ±2–3 cm, im Vergleich zu ±10–15 cm beim einfacheren D-GNSS-Verfahren. In einer Fallstudie aus der Präfektur Aomori wurde eine Positionsgenauigkeit von etwa 2 cm innerhalb eines Radius von 5 km um die Basisstation erreicht.

Auch der größte Landmaschinenhersteller, John Kubota, setzt auf RTK-GNSS. John Deere bietet schon lange sein eigenes „StarFire“-Korrektursignal an. Der aktuelle StarFire 7500-Empfänger erreicht in Kombination mit dem „SF-RTK“-Korrektursignal eine horizontale Genauigkeit von ca. 2,5 cm – ganz ohne zusätzliche RTK-Basisstationshardware. Die Konvergenzzeit (die Zeit vom Einschalten bis zum Erreichen hoher Genauigkeit) ist laut Herstellerangaben bis zu 73 % kürzer als beim Vorgängermodell SF3. Dies steht im deutlichen Gegensatz zu Kubotas Ansatz, ein eigenes Basisstationsnetz aufzubauen, während John Deere diese Infrastruktur durch ein verteiltes Korrektursignal ersetzt. Auch Yanmar bietet RTK-GNSS optional für seine Level-2-Robotiktraktoren an. Gerade bei Anwendungen, in denen eine präzise automatische Lenkung innerhalb der Reihenabstände eines Feldes erforderlich ist, ist diese Genauigkeit im Zentimeterbereich keine Option, sondern eine Grundvoraussetzung.

Leistungsparameter

• Positionsgenauigkeit (mit RTK/PPP-Korrektur): Die Differenz zwischen D-GNSS (±10–15 cm) und RTK-GNSS (±2–3 cm) sind in Anwendungen wie der automatischen Lenkung von Landmaschinen entscheidend, wo die erforderliche Präzision im Zentimeterbereich relativ zur Größe des Ziels (einer Pflanzenreihe) gemessen wird.

– Entfernung von der Basisstation oder Wahl eines PPP-Verfahrens: Die Korrekturwirkung von RTK nimmt mit zunehmender Entfernung von der Basisstation ab (ca. 5 km Radius / ~2 cm Genauigkeit im oben genannten Fallbeispiel Aomori). Kubotas Erweiterung von ca. 40 auf 342 Basisstationen spiegelt genau diese Einschränkung wider – jedes Feld muss im Versorgungsbereich einer Basisstation liegen. Wo der Aufbau eines Basisstationsnetzes unpraktisch ist – in abgelegenen Regionen, bei internationalem Einsatz – stellt ein PPP-RTK-Verfahren wie Trimble RTX die Alternative dar.

– Konvergenzzeit: PPP-RTK benötigt keine Basisstation, hat aber eine Konvergenzzeit von mehreren Sekunden bis zu mehreren Minuten vom Einschalten bis zum Erreichen der Zielposition. Hohe Genauigkeit. RTK konvergiert schnell, solange es kontinuierlich Korrekturdaten von seiner Basisstation empfängt. John Deeres Marketingaussage einer 73 % kürzeren Konvergenzzeit im Vergleich zur Vorgängergeneration verdeutlicht, wie direkt die Konvergenzzeit die praktische Anwendbarkeit beeinflusst.

• Maximale Ausgaberate: Eine höhere Aktualisierungsrate – 200 Hz beim Fixposition Vision-RTK 2, 100 Hz beim Septentrio mosaic-X5 – ermöglicht es dem System, die Position eines sich schnell bewegenden Fahrzeugs mit geringerer Verzögerung zu verfolgen. Für langsam fahrende Landmaschinen ist diese hohe Rate nicht immer erforderlich.

• Anzahl der unterstützten Konstellationen und Frequenzen: Die Unterstützung von vier Konstellationen und zwei (oder, wie beim mosaic-X5, mehreren) Frequenzen erhöht die Anzahl der Satelliten, die ein Empfänger erfassen kann. Dies erleichtert die Positionsbestimmung in Umgebungen, in denen einige Satelliten verdeckt sind – beispielsweise in dicht bebauten Stadtgebieten oder hinter der Metallkonstruktion eines Gewächshauses. Insbesondere in Japan ist die Unterstützung von Michibiki (QZSS) durch einen Empfänger ein praktisches Kriterium. Unterscheidungsmerkmal

• Verwendung von Sensorfusion: GNSS allein verliert in Tunneln oder hinter Gebäuden mit schlechter Sicht zum Himmel seine Position. Die Integration mit IMU und visueller Odometrie – wie sie Fixposition Vision-RTK 2 bietet – ermöglicht es dem System, die Position auch bei kurzzeitigem GNSS-Signalausfall für kurze Zeit zu schätzen.

• Robustheit gegenüber Spoofing und Jamming: Zivile GPS-Signale sind unverschlüsselt und anfällig für Spoofing-Angriffe. Funktionen zur Störungsunterdrückung wie AIM+ von Septentrio mosaic-X5 sind ein wichtiges Auswahlkriterium für Anwendungen, bei denen diese Bedrohung ein praktisches Risiko darstellt – beispielsweise in sicherheits- und verteidigungsnahen Bereichen oder bei der Überwachung kritischer Infrastrukturen.

Schätzung des Positionsfehlers mit DOP

Eine Spezifikation wie „2 cm horizontal“ setzt eine gute Satellitengeometrie, stabile Korrekturen und geringe Mehrwegeausbreitung voraus. Für eine erste Schätzung sollte der Entfernungsmessfehler von der durch die Satellitengeometrie verursachten Verstärkung getrennt werden. Wenn die Standardabweichung einer Entfernungsmessung \sigma_\rho beträgt und die Die geometrische Verstärkung ist die Präzisionsverdünnung (DOP). Eine Näherung erster Ordnung ist:

Diese Näherung basiert auf einem linearisierten Code-Positionierungsmodell mit unabhängigen Beobachtungsfehlern gleicher Varianz. Für die eigenständige Positionierung ergeben σρ = 0,5 m und HDOP = 1,5 einen horizontalen Fehler von etwa 0,75 m. RTK erfordert ein Kovarianzmodell, das Trägermehrdeutigkeiten, korrelierte Differenzbeobachtungen und den Korrekturzustand berücksichtigt. Das Ersetzen des Coderauschens durch ein Phasenresiduum garantiert keine Positionsgenauigkeit.

Abbildung – Selbst bei gleichem Entfernungsrauschen verstärkt eine ungünstige Satellitengeometrie (großer DOP) den Positionsfehler. Die Linien sind schematisch, keine gemessenen Kurven.

Experiment: Bestimmung des Empfängerzustands aus Pseudostrecken

Die oben genannten Prinzipien lassen sich anhand eines kleinen synthetischen Experiments überprüfen – nicht als Aussage über die Genauigkeit realer Empfänger. Das N03 GNSS Lab schätzt die x,y,z-Position und die entfernungsäquivalente Taktabweichung eines Empfängers mittels iterativer Kleinste-Quadrate-Schätzung anhand von vier festen Satelliten und kodiert Pseudostrecken in kartesischen Metern. Es vernachlässigt Satellitenuhren, Ionosphäre, Troposphäre, Mehrwegeempfang, Erdrotation und Trägerphasenmehrdeutigkeiten, die von RTK verwendet werden.

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Die eingefrorenen synthetic.csv, results.json und manifest.json speichern die Daten, Ergebnisse und SHA-256-Hashes. Das Paket verwendet ausschließlich die Python-Standardbibliothek. Laden Sie hier die Reproduzierbarkeits-ZIP-Datei, die README-Datei, das Manifest und den Quellcode herunter:

• GNSS Lab Reproduzierbarkeits-ZIP
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Die Darstellung mit der ungenauen Geometrie dient als Beispiel für eine Demonstration. Der sehr hohe DOP-Wert darf nicht als Empfängerleistung oder als Fehlergrenze in der Praxis interpretiert werden. Vorzeichen, Einheiten und Interpretation des DOP-Werts entsprechen den Definitionen in diesem Artikel.

Referenzen

• Fixposition Vision-RTK 2 Produktseite
• Funktionsweise der RTK-GPS-Basisstationen von Kubota (offizielle Kubota-Website)
• Kubotas landesweiter Ausbau der RTK-GNSS-Basisstationen (Nikkan Kogyo Shimbun)
• u-blox ZED-F9P Modul-Produktseite
• u-blox ZED-F9P Datenblatt (offizielles u-blox PDF)
• Septentrio mosaic-X5 Produktseite
• Trimble CenterPoint RTX Produktseite

• [Trimble RTX Korrekturdienste] FAQ (Offizielles Trimble-PDF)

• John Deere StarFire 7500 (SF-RTK) – Übersicht (Cornthwaite Group)

• Geschichte der Abschaffung der selektiven GPS-Verfügbarkeit (Offizielle GPS.gov-Website)

• Quasi-Zenith-Satellitensystem Michibiki – Übersicht (Offizielles QZSS-Kabinettsbüro)

• Michibiki – Übersicht (Offizielle JAXA-Website)

• GPS-Spoofing-Angriffe auf KI-basierte Navigationssysteme mit Hindernisvermeidung in UAVs (arXiv:2506.08445)