Assisted Global Positioning System

Assisted Global Positioning System (A-GPS, Unterstütztes Globales Positionierungssystem) ist ein Verfahren zur Übermittlung von Hilfsdaten über ein von GPS verschiedenes Übertragungsnetz zur genaueren und schnelleren GPS-Positionsbestimmung. Über eine separate Datenverbindung, z. B. ein Mobilfunknetz, wird der Empfänger mit zusätzlichen Hilfsinformationen versorgt, wie etwa der ungefähren Position des Empfängers (ermittelt z. B. durch Mobilfunkortung).

Inhaltsverzeichnis

Nachteile des herkömmlichen GPS

Die satellitengestützte Positionsbestimmung mit GPS wurde hauptsächlich dafür entwickelt, die Position eines kontinuierlich aktiven Empfängers im Freien zu ermitteln. Für häufige Unterbrechungen des Satellitenempfangs verbunden mit einem zwischenzeitlichen Ortswechsel (z. B. in Flugzeugen, öffentlichen Verkehrsmitteln, großen Gebäudekomplexen, Tunneldurchfahrten) wurde das GPS-System nicht konzipiert. Daher dauert die Neuberechnung der aktuellen geografischen Position nach solchen sprunghaften Ortswechseln recht lange. Aufgrund der hohen Genauigkeit des Verfahrens ist GPS dennoch für den Einsatz in Mobiltelefonen interessant, um dort standortbezogene Dienste (Location Based Services) anbieten zu können.

Beim herkömmlichen GPS ergeben sich folgende Probleme:

  • Die Zeit, die bis zu einer ersten Positionsbestimmung vergeht, ist abhängig von der Aktualität des im Empfänger gespeicherten Almanachs, der mit dem GPS-Signal übermittelt wird und in dem die Satelliten ihre Bahndaten (Ephemeriden) auflisten. War das Gerät also längere Zeit nicht aktiv, müssen zunehmend mehr Informationen empfangen werden, bevor eine Positionsbestimmung möglich ist (nach mehr als 2 bis 6 Stunden: ca. 45 Sekunden; nach mehreren Tagen oder wenn das Gerät ohne Empfang mehr als etwa 300 km bewegt wurde: bis zu 12,5 Minuten).[1]
  • In städtischer Umgebung ist die freie Sicht zu den GPS-Satelliten oft stark eingeschränkt, in geschlossenen Räumen sogar unmöglich, in Tunneln ohnehin nicht gegeben.
  • Der Stromverbrauch des Satellitenempfängers ist hoch.

Funktionsweise von A-GPS

DGPS-Referenzantenne (Chokering-Antenne)

A-GPS verringert diese Probleme, indem es z. B. das GSM-Mobilfunknetz benutzt, um dem Empfänger Hilfsdaten zu übermitteln, die die Positionsbestimmung schneller zum Erfolg führen.

Lokalisierung der Funkzelle

Bei Mobiltelefonen ist anhand der Funkzelle, die das Telefon bedient, der ungefähre Aufenthaltsort bereits bekannt. Dieser Ort kann durch Messungen der Signallaufzeiten von den anderen in der Nähe befindlichen Mobilfunkmasten weiter präzisiert werden. Der Empfang von mindestens drei Basisstationen ist erforderlich, um den Standort auf diese Weise eindeutig ausrechnen zu können. Die Höheninformation kann bei diesem Verfahren auch mit drei Basisstationen nicht bestimmt werden.

Die so grob ermittelte Position kann verwendet werden, um den Suchbereich für die Satellitensignale (Identität der momentan sichtbaren Satelliten, ungefähre Laufzeit, Dopplerverschiebung) einzuschränken und somit die Verarbeitung der Messung zu beschleunigen.

Almanach-Aktualisierung

Beim konventionellen GPS hat der Empfänger zwei Aufgaben. Er misst die Laufzeit der Signale und er liest die von den Satelliten gesendeten Daten, die unter anderem Bahnparameter und Fehlerkorrekturen enthalten (Almanach). Beim A-GPS wird der Almanach von Referenzempfängern gelesen, die stationär an Orten mit guter Sicht zum Himmel aufgestellt sind und deren exakte Positionsdaten bereits vermessen wurden. Der mobile Empfänger muss den Almanach dann nicht mehr langwierig über das Satellitensignal aktualisieren. Ferner kann dadurch das GPS-Empfangsteil des mobilen Empfängers den Doppler der GPS-Signale besser vorhersagen, so dass für Phase Lock Loop (PLL) und Delay Lock Loop (DLL) schmalere Bandbreiten verwendet werden können. Dadurch kann das GPS-Empfangsteil um bis zu 30 dB schwächere GPS-Signale nutzen, wie sie zum Beispiel in Gebäuden vorkommen. Zusätzlich können Fehlerkorrekturen nach dem Prinzip von Differential-GPS übertragen werden, die dazu dienen, den Fehler der GPS-Position erheblich zu verringern.

Varianten

In Abhängigkeit vom Ort, an dem die eigentliche Berechnung der Position stattfindet, unterscheidet man den netzwerkbasierten und den terminalbasierten Modus. Bei netzwerkbasiertem A-GPS sendet das Terminal (also zum Beispiel das Mobiltelefon) die gemessenen Signallaufzeiten der jeweiligen Satellitensignale (also letztlich die Entfernungen) und ein Server im Mobilfunk-Netz berechnet daraus die genaue Position, die schließlich zurück an das Terminal oder eine Anwendung übermittelt wird. Die Hilfsdaten bestehen in diesem Falle nur aus den Suchraumparametern. Beim terminalbasierten Modus erhält das Terminal lediglich die Satelliten- und Hilfs-Daten und berechnet seine Position nach der Messung selbst.

Für A-GPS sind verschiedene Signalisierungen von 3GPP und OMA standardisiert worden; ein verbreitetes Verfahren ist zum Beispiel SUPL (Secure User Plane).

Ist gerade kein Kontakt zu GPS-Satelliten möglich oder gar kein GPS-Empfänger eingebaut, so können auch allein die Signallaufzeiten der Mobilfunktürme zur Positionsberechnung verwendet werden. Die Positionsbestimmung ist dann allerdings meist relativ ungenau. Diese Variante der Positionsberechnung fällt jedoch eigentlich nicht unter die Bezeichnung A-GPS, da hierbei kein GPS-Signal verwendet wird.

Andererseits ist auch eine Implementierung von A-GPS völlig ohne Unterstützung des Netzbetreibers denkbar; schon die Übermittlung des Almanachs über einen schnelleren und robusteren Kanal als die GPS-Signale führt in vielen Fällen zu einer erheblich beschleunigten Positionsbestimmung. Dieses Verfahren wird unter anderem von einigen KFZ-Navigationsgeräten unterstützt; die Daten werden dabei vom Benutzer aus dem Internet heruntergeladen und auf das Gerät überspielt.

Unterstützung

A-GPS braucht die Unterstützung der GSM-Netzbetreiber, um optimal zu funktionieren. Die Netzelemente können dabei in verschiedenem Umfang Assistenzinformationen für die einzelnen Handys bereitstellen (via „Service Mobile Location Center“). Zusätzlich wird die Unterstützung in den Mobiltelefonen gebraucht, die neben einem GPS-Ortungschip auch die Assistenzinformationen auswerten können. Im Rahmen des Enhanced-911-Programms in den USA mussten alle Anbieter von drahtlosen Diensten ihre Infrastruktur so umrüsten, dass seit Ende 2005 alle von Mobiltelefonen aus getätigten Notrufe genau lokalisiert werden können – in dieser zweiten Phase erfolgte es meist mit Triangulation, dessen Ergebnisse auch dem Mobiltelefon zur Verfügung stehen. In Japan müssen sogar alle nach April 2007 verkauften Mobiltelefone der dritten Generation über die A-GPS-Funktionalität für Notrufe verfügen, die die Assistenzinformationen des Netzes auswerten können.[2] Eine ähnliche Verordnung wird in der EU für das Jahr 2014 erwartet, wenn das europäische Galileo-Satellitensystem zur Positionsbestimmung in den Wirkbetrieb geht.

A-GPS wird spätestens seit 2009 in allen GPS-fähigen Mobiltelefonen sowie in allen GSM-fähigen Navigationsgeräten genutzt. Damit ist mit diesen Geräten eine wesentlich schnellere Aktivierung der GPS-Funktion möglich als mit herkömmlichen. A-GPS ist in den meisten GSM-Mobilfunknetzen verfügbar, in Europa durchgängig.

Kritik

Für A-GPS können Nutzungsgebühren anfallen (meistens in Form von Verbindungsentgelten des Providers). Alternativ reicht manchmal auch ein empfindlicherer GPS-Empfänger, wie zum Beispiel eine externe GPS-Maus aus, um selbst in Gebäuden oder bei schlechtem Wetter zuverlässig und schnell die Position zu bestimmen.

Weblinks

Referenzen

  1. kowoama: Der Aufbau des GPS-Signals, 16. September 2008
  2. „A-GPS soll Navigations- und Ortungsdienste erleichtern“, Marie-Anne Winter, Teltarif.de, 18. März 2005

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