GPS - WAS IST DAS?

Inhalt
1.Geschichte
2.Aufbau
3.Positionsbestimmung

Videos
1. Satellitenbahnen im Orbit (Quicktime-Player notwendig!)
Quelle: http://download.pchome.de/download/grafik/

2. Trilaterale Positionsbestimmung (swf-Player notwendig!)
Quelle:http://electronics.howstuffworks.com/gps.htm/printable

1. Geschichte

Das GPS ist ein amerikanisches System zur Positionsbestimmung auf der Erde durch den Einsatz von Satelliten. Die europäische Alternative ist seit 2003 in der Entwicklung und nennt sich GALILEO. Das GPS wurde ursprünglich vom amerikanischen Verteidigungsministerium entwickelt und ist danach für den zivilen Gebrauch freigegeben worden. Die Einsatzbereiche des GPS sind heute wichtig für die Luft-, Land- und Seefahrtnavigation.

1973 wurde in Amerika beschlossen ein solches Satellitennavigationssystem zu entwickeln
1978 wurde der erste Satellit in die Umlaufbahn geschossen
1983 wurde das GPS auch für die zivile Nutzung freigegeben. Grund dafür war der Abschuss eines zivilen Flugzeugs, das irrtümlich über der Sowjetunion flog
1993 wurde das GPS auch für die weltweite kostenlose zivile Nutzung eingeschränkt freigegeben
2000 wurde die SA (selective availability) endgültig abgeschaltet und damit die Genauigkeit der zivilen Nutzung von 100m auf 20m erhöht
2004 wurde der 50. Satelliten gestartet

[Seitenanfang]

2. Aufbau des GPS

Das GPS kann in drei Systeme unterteilt werden. Das Weltraumsegment, unter dem die Umlaufbahnen der Satelliten und die Satelliten selbst verstanden werden. Das zweite Segment ist das Kontrollsegment, das die 65 Kontrollstationen auf der Erde bezeichnet und als drittes wird das Benutzersegment verwendet, also der GPS–Empfänger selbst.

Weltraumsegment
Ursprünglich waren 24 Satelliten geplant, jedoch hat sich die Anzahl auf weit mehr als 200 erhöht, die in ca. 20200 km die Erde umkreisen. Die Satelliten haben eine Geschwindigkeit von 3.9 km/sec und eine Umlaufzeit von 11,58 h. Die Satellitenbahnen sind in sechs Ebenen, in denen jeweils 24 Satelliten mit gleichem Abstand die Erde umkreisen, und haben eine Neigung von 55° zum Äquator. Jeder Satellit überträgt ununterbrochen seine Kennung, seine Systemzeit (mit Hilfe der eingebauten Atomuhren) und seine Bahndaten, aus denen die jeweilige Position des Satelliten berechnet werden kann. Zur Übertragung der Signale werden Mikrowellen verwendet, da diese am wenigsten von äußeren Einflüssen, wie Atmosphäre oder Wetter, gestört werden können. 

Kontrollsegment
Unter den 5 Kontrollstationen befindet sich eine Hauptstation und vier Monitorstationen (seit 2005 um weitere sechs ergänzt), alle haben die Aufgabe das Weltraumsegment zu kontrollieren und zu korrigieren. Die Kontrollstationen sind genau vermessen, so dass jeder Satellit einmal pro Tag genau vier Stationen sehen kann und rund um die Uhr von mindestens zwei Stationen zu sehen ist.  Dadurch kann die Position des Satelliten berechnet werden und falls nötig Korrekturdaten zum Satelliten geschickt werden können.

Benutzersegment
Die Endgeräte für den privaten Gebrauch sind meist so groß wie heutige Handys. Sie haben mindestens 12 Kanäle, das heißt sie können die Daten von bis zu 12 Satelliten verarbeiten und auswerten. Geräte zur Vermessung oder für das Militär sind ihren Aufgaben entsprechend gebaut.

 [Seitenanfang]

3. Positionsbestimmung

Aus den Informationen, die der Satellit sendet, kann der GPS–Empfänger die Entfernung des Satelliten durch Vergleichen der Zeitdifferenz zwischen „Sendezeit“ und „Ankunftszeit“ berechnen. Durch Hinzufügen der Daten von zwei weiteren Satelliten kann der GPS – Empfänger seine Position durch die Entfernungsmessung von drei Punkten (Trilateration) bestimmen. Dies ist eine zweidimensionale Positionsbestimmung, da der Empfänger davon ausgehen muss, dass er sich auf der Erdoberfläche befindet, also einer rechnerisch zweidimensionalen Fläche. Mit Hilfe von vier Satelliten kann die Position im Raum, also eine dreidimensionale Position ermittelt werden. Der Empfänger kennt dann die Position und die Höhe.

Der Empfänger berechnet ständig die aktuelle Position, daraus kann er seine Geschwindigkeit (ground speed) und seine Bewegungsrichtung (ground track) bestimmen. Je nach Gerät wird die Geschwindigkeitsmessung auch durch die Ausnutzung des Dopplereffekts, der durch die Bewegung bei den übermittelten Signalen auftritt, durchgeführt.

Die genaue Vorgehensweise zur Positionsbestimmung beim GPS soll im Folgenden kurz beschrieben werden. Zur besseren Vorstellung der Funktionsweise stelle man sich zunächst vor, es würden nur zwei Satelliten zur Positionsbestimmung zur Verfügung stehen, wie in Abb. 1. Dort empfängt ein GPS-Gerät zwei Signale, das erste braucht 4 sec bis zu seiner Ankunft und das zweite 5 sec (diese Werte sind nicht realistisch und sollen nur zur Verdeutlichung dienen – tatsächliche Laufzeiten liegen bei 0,07 sec). Zieht man zwei Kreise mit der jeweiligen Laufzeit um die Satelliten, kann die aktuelle Position nur an einem der beiden Schnittpunkte sein. Der dritte Satellit, der eigentlich zur genauen Positionsbestimmung benötigt werden müsste, wird damit hinfällig. Für eine genaue Höhenangabe muss dann ein vierter Satellit hinzugenommen werden.

Abbildung 1, Quelle: http://www.kowoma.de/gps

Bei der Positionsbestimmung tritt durch den Uhrenfehler des Empfangsgerätes, das natürlich keine Atomuhr hat wie die Satelliten, ein Messfehler auf. Um bei dem bisherigem Beispiel zu bleiben, stelle man sich vor, die Uhr des Empfangsgerätes gehe 0,5 sec vor, dann erscheint die Laufzeit um eine halbe Sekunde länger. Damit verschiebt sich aber der Punkt der eigentlichen Position (wie in der Abb. 2 gezeigt von A nach B) auf die so genannten Pseudoentfernung (pseudorange).

Abbildung 2, Quelle: http://www.kowoma.de/gps

Um die reale Position zu ermitteln muss erst der Synchronisationsfehler der Uhren korrigiert werden. Diese Position wird je nach Genauigkeit der Uhr auf die exakte Position bestimmt werden können. Wobei ein Uhrenfehler von 1/100 sec bereits ein Fehler von 3000 km wäre, um den Fehler kleiner als 10m zu halten muss die Laufzeit auf 0,00000003 sec genau sein. Dieses Problem wird mit dem dritten Satelliten gelöst, der beim Uhrenfehler von 0,5 sec einen Bereich liefert, in dem sich der Empfänger befinden muss. Die Zeit der Empfängeruhr wird nun solange verschoben, bis aus den drei Schnittpunkten B ein Schnittpunkt A wird, und der Uhrenfehler ist damit korrigiert – aus der Pseudoentfernung wird nun die reale Position, siehe Abb. 3.

Abbildung 3, Quelle: http://www.kowoma.de/gps

Für die Höhenbestimmung wird mit vier Satelliten nach dem gleichen Prinzip zunächst eine Pseudoposition bestimmt und dann solange korrigiert, bis die reale Höhe angegeben werden kann.