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I. Titelseite
ii. Inhaltsverzeichnis I. Titel Seite 1 II. Inhaltsverzeichnis 2 III. Einleitung 4 IV. Wie genau funktioniert GPS?
4 A. Positionierung 4 1. allgemeine 4 2. Position auf einer Geraden in Synchronuhren 5 3. Position auf einer Geraden in Asynchronuhren 5 4. Einführung des Pseudobereichs 6 5. Position in der Ebene 7 6. räumliche Positionierung durch vier Sender 8 B. Die Satellitensignale 10 1.Ephemeriden- und Almanachdaten 12 3. Signalverschiebung 14 C. Geschwindigkeitsbestimmung 16 1. Bestimmung durch räumliche Änderung 16 2. Berechnung durch Dopplerfrequenzverschiebung von Signalen 16 V. GPS in Entwicklung und aktueller Nutzung 17 A. Die Entwicklung des GPS-Systems 17 B. Der Aufbau eines GPS-Satelliten 19 C. Wie kommt ein solcher Satellit in die Umlaufbahn?
21 D. GPS 21 Anwendungen 1. militärische Nutzung 21 2. zivile Nutzung 22 E. Selektive Verfügbarkeit ( SA) 23 F. GPS 24 VI. Zusammenfassung 25 VII. Anhang 25 A. Anhänge 25 B. Lange Zeit versuchte man, seine Position auf der Karte mit einfachen Mitteln zu bestimmen, zum Beispiel mit dem Sextanten und der Senkrechten, wie in den Bereichen der Navigation. Diese Navigation war noch mit erheblichem Aufwand verbunden und die notwendigen Mittel standen nicht unbedingt allen zur Verfügung. In der heutigen High-Tech-Welt sind vorgefertigte Navigations- und Positionierungslösungen für jedermann erschwinglich und ver
ständlich. Grundlage dafür ist die Satellitennavigation, die auf Satelliten in Erdumlaufbahnen basiert. Derzeit gibt es zwei funktionsfähige Satellitennavigationssysteme, das Global Navigation Satellite System (Ein Satellitennavigations- oder Satellitennavigationssystem ist ein System, das Satelliten zur autonomen geografischen Ortung verwendet) (“GLONASS (GLONASS, oder “Global Navigation Satellite System”), ist ein weltraumgestütztes Satellitennavigationssystem, das im Radionavigationssatellitendienst arbeitet und von den russischen Streitkräften der Luft- und Raumfahrt genutzt wird) ), das vom Verteidigungsministerium der ehemaligen Sowjetunion (die Sowjetunion, offiziell die Union der Sozialistischen Sowjetrepubliken, war ein sozialistischer Staat in Eurasien, der von 1922 bis 1991 existierte) und dem amerikanischen äquivalenten Global Positioning System (GPS) entworfen wurde.
Obwohl beide Systeme als nahezu gleichwertig betrachtet werden können, hat sich GPS durch den Zusammenbruch der Sowjetunion etabliert. In unserer technischen Arbeit beschäftigen wir uns ausschließlich mit dem amerikanischen Navigationssystem GPS.
IV Wie genau funktioniert GPS? 1] A. Positionierung 1. allgemein Das in NAVSTAR-GPS verwendete Positionierungsverfahren basiert auf dem Prinzip der Entfernungsbestimmung durch Messung der Laufzeit von Signalen zwischen dem Benutzer und einem von mehreren Referenzpunkten (hier Satelliten), deren Positionen genau bekannt sind. Dieses Prinzip wird seit langem in der landgestützten Funkortung (Radiolokalisierung ist der Prozess der Ortung von etwas durch den Einsatz von Radiowellen) Systeme wie DME (Distance Measuring Equipment (Distance Measuring Equipment (Distance Measuring Equipment ist eine transponderbasierte Funknavigations-Technologie, die die Schrägentfernung durch Zeitmessung der Ausbreitungsverzögerung von VHF- oder UHF-Funksignalen misst) ) und Sekundärradar verwendet. Im nächsten Schritt wird das Funktionsprinzip der Ortsbestimmung allgemein aus Laufzeitmessungen erläutert. Das verwendete Modell bezieht sich zunächst nur auf eine Dimension und wird schrittweise auf die Ebene und schließlich auf den dreidimensionalen Raum ausgedehnt.
2. Position auf einer geraden Linie bei synchronen Uhren Es folgt eine gerade Linie, auf der sich ein Sender und ein Empfänger befinden. Beide Geräte haben synchronisierte Uhren, d.h. sie haben keinen Zeitunterschied und sind daher genau gleich. Der Sender sendet nun in bestimmten Zeitabständen ein Signal (z.B. eine elektromagnetische Welle), das seine Systemzeit enthält. Der Empfänger empfängt dieses Signal und kann seinen Abstand x vom Sender bestimmen. Dieser Abstand kann durch eine einfache Gleichung ausgedrückt werden: v – ( t0 t1) = x v = Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals; im GPS-System entspricht dies der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen, d.h. der Lichtgeschwindigkeit t0 = Systemzeit des Empfängers t1 = Empfangszeit x ist der Radius des Kreises (mit dem Sender als Mittelpunkt), auf dem sich der Empfänger befinden kann. Da sich der Empfänger jedoch nur auf der Geraden bewegen kann, erhält man zwei Punkte für die Position, nämlich die Schnittpunkte des Kreises mit der Geraden. Wenn Sie nun davon ausgehen, dass sich der Empfänger nur in eine Richtung vom Sender weg bewegt, können Sie seinen Standort eindeutig bestimmen.
3. Position auf einer Geraden bei asynchronen Uhren Der nächste Schritt beseitigt eine entscheidende Bedingung, nämlich die Tatsache, dass beide Uhren synchron laufen. Auf den ersten Blick erscheint das Problem unlösbar, da die Signallaufzeit und damit die Entfernung nur mit synchronen Uhren gemessen werden kann. Und die Uhren können nur synchronisiert werden, wenn die Laufzeit des Signals aus der bekannten Entfernung berechnet wird. Um das Problem zu lösen, benötigen Sie einen zweiten Sender, der ebenfalls gerade und mit dem ersten Sender synchronisiert sein muss.
Zwischen den beiden Sendern befindet sich der Empfänger, der die Position der Sender und damit auch deren Abstand zueinander kennt. Jetzt können Sie zwei Laufzeiten messen und zwei Gleichungen aufstellen: I. v – ( t0 t1 ) = x1 II. v – ( t0 t1 ) = x2 wobei t0 die gesuchte Systemzeit und x1 oder x2 die unbekannte Entfernung zu den Sendern darstellt. Es gibt also drei Unbekannte in den beiden Gleichungen, weshalb es so unlösbar ist. Die folgende Gleichung, die sich aus der bekannten Entfernung der Sender ergibt, steht jedoch noch zur Verfügung: E = x1 + x2 Diese Gleichung zeigt an, dass die Summe der gesuchten Entfernungen zu den jeweiligen Sendern den bekannten Abstand E darstellt. Werden diese Abstände in einer der Ausgangsgleichungen verwendet, erhält man die noch unbekannte Systemzeit t0. Eine Pseudo-Bereichsmessung ist die Messung der Signallaufzeiten im Vergleich zu einem Empfängertakt, der nicht mit den Senderuhren synchronisiert ist. Die Pseudobereiche, d.h. die scheinbaren Abstände, ergeben sich aus dem Produkt von Pseudo-Zeit und Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals. Sie unterscheiden sich von den tatsächlichen Entfernungen nur um einen Entfernungsbetrag, der von der Zeitdifferenz zwischen Sender- und Empfängeruhr abhängt.
Der Grund für ihren Einsatz ist eine höhere erreichbare Auflösung des Messsystems. 5. Position in der Ebene Im nächsten Schritt soll der Empfänger nicht mehr auf eine Linie gebunden werden. Dadurch entsteht eine zusätzliche Dimension, die es zu einem zweidimensionalen Problem macht. Wenn Sie zwei Sender benötigen, um die genaue Position auf einer Linie zu bestimmen, ist es jetzt logisch, dass Sie einen Sender mehr benötigen. a) Hyperbel (In der Mathematik ist eine Hyperbel eine Art glatte Kurve, die in einer Ebene liegt, definiert durch ihre geometrischen Eigenschaften oder durch Gleichungen, für die sie die Lösung ist) durch Pseudo-Bereichsmessungen an zwei Sendern Mit zwei Sendern können Sie zwei Pseudo-Bereichsmessungen durchführen. Berechnet man die Differenz zwischen diesen beiden Pseudo-Distanzen, erhält man Informationen darüber, um wie viel weiter entfernt ein Sender ist als der andere. Im geometrischen Sinne ergibt sich daraus eine Hyperbel in der Ebene, auf der sich der Sender nun befinden kann. (siehe Anhang 1) Die Grafik zeigt die resultierende Hyperbel als Summe der möglichen Standorte des Empfängers für zwei Pseudo-Range-Messungen. b) Eindeutige Standortbestimmung durch einen dritten Sender Die Vorgehensweise für drei Sender ist die gleiche wie bei der vorherigen Analyse der Positionsbestimmung auf der Leitung. Die drei Uhren der Sender laufen synchron und ihre Signale, die sich gleichmäßig in alle Richtungen ausbreiten, bilden Kreise in der Ebene. Die Pseudolaufzeiten bezogen auf eine beliebige Empfängerzeit werden erneut gemessen und die Pseudobereiche über die bekannte Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signale ermittelt.
Bei allen drei Messungen unterscheiden sich die wahren Abstände von den Pseudobereichen nur um einen bestimmten Abstandsbetrag L, der dazu addiert werden muss. Daraus folgt, dass sich der Empfänger im Schnittpunkt der drei Kreise mit den Radien ( L + pr1), ( L + pr2) und ( L + pr3) befinden muss. (siehe Anhang 2) Die Grafik zeigt die Eindeutigkeit der Position in der Ebene bei Pseudolaufzeitmessungen für drei Sender.
Dieses Gleichungssystem ist nicht mehr so einfach zu lösen wie das des eindimensionalen Problems. Mit Hilfe des Computers können jedoch die Lösungen dieses nichtlinearen Systems (in der Mathematik und Physik ist ein nichtlineares System ein System, bei dem die Änderung der Ausgabe nicht proportional zur Änderung der Eingabe ist) von Gleichungen durch Rundung und Iteration ausreichend genau bestimmt werden (wiederholte Wiederholung eines Algorithmus, eine schrittweise Annäherung an den gesuchten Wert).
Mit den nun bekannten Radien können Sie den unbekannten Abstand L berechnen, so dass nun die Empfängeruhr auf die Systemzeit synchronisiert werden kann. Dazu muss der Empfänger zur empfangenen Systemzeit eine bestimmte Zeit addieren, die der genauen Signallaufzeit vom Sender zum Empfänger entspricht. Jetzt sind die Uhren synchronisiert. 6. räumliche Positionsbestimmung durch vier Sender Im nächsten Schritt soll sich der Empfänger im Raum bewegen können. Drei Koordinaten ( x; y; z) werden nun für die Positionsbeschreibung benötigt. Wegen der unbekannten Systemzeit haben Sie vier Unbekannte. Um sie zu bestimmen, benötigt man vier Gleichungssysteme und damit auch vier Sender.
Als nächstes betrachten wir vier Sender, deren Uhren miteinander synchronisiert sind und deren Position im Raum bekannt ist. Sie senden ihr Tracking-Signal in alle Raumrichtungen, d.h. es breitet sich kugelförmig aus. Der Empfänger muss sich dann im Schnittpunkt dieser vier Kugeln befinden. Die vier Kugeln müssen sich mit den Sendern S1( x1; y1; z1; z1), S2 ( x2; y2; z2), S3( x3; y3; z3), S4( x4; y4; z4?, z4) als Zentren schneiden, und die Radien r1 = L + pr1; r2 = L + pr2; r3 = L + pr3; r4 = L + pr4 im Empfänger mit den Koordinaten ( x; y; z).
Anhang 3 zeigt vier Kugeln, die sich aus der räumlichen Signalabgabe der Empfänger zu einem bestimmten Zeitpunkt ergeben. Mit zunehmender Zeit nehmen auch die Kugelradien zu, so dass man tatsächlich die Schnittpunkte von fast unendlich vielen Kugelschalen berücksichtigt. Die Pseudolaufzeitmessungen für die Sender P1 und P2 ergeben eine mögliche Empfängerposition als Kreis, dessen Radius zeitabhängig ist. Ein dritter Sender P3 kann verwendet werden, um die mögliche Empfängerposition weiter zu begrenzen. Der Empfänger kann sich nun an den beiden Schnittpunkten der Kugelschalen von P3 mit P2 und P1 befinden. Der genaue Standort kann nur von einem vierten Sender bestimmt werden, was in diesem Bild leider kaum zu sehen ist. Louis, Missouri für die B Division) = ( x x4 )2 + ( y y4 )2 + ( z z4 )2 = ( L + pr4 )2 Dies ist wiederum ein nichtlineares Gleichungssystem mit 4 Gleichungen und 4 Unbekannten, das mit ein wenig Berechnung gelöst werden kann.
Dieses Gleichungssystem , das wir hier Schritt für Schritt aufgebaut haben, entspricht weitgehend den Navigationsgleichungen des realen GPS-Systems. Dort sind sie jedoch noch komplizierter, da Fehler durch Messfehler oder Störungen als weitere Unbekannte in die Gleichung einbezogen werden. Zudem befinden sich die Sender nicht an festen Orten, sondern umkreisen die Erde . B. Satellitensignale Ob das GPS-System die Positionen genau bestimmt, hängt weitgehend von den von den Satelliten ausgesandten Signalen ab. Es gibt eine ganze Reihe von Kriterien, die in die Entwicklung der Signalstruktur eingeflossen sind. Dadurch ist das GPS-Signal relativ komplex und bietet folgende Möglichkeiten: Einweg-Positionierung, präzise Entfernungs- und Geschwindigkeitsbestimmung (Dopplereffekt), Übertragung einer Navigationsmeldung, gleichzeitige Erfassung mehrerer Satellitensignale, Bereitstellung von Korrekturen für die ionosphärische Verzögerung der Signale und Störfestigkeit gegen Mehrwegeffekte und Störungen. Die nachfolgend beschriebene Signalstruktur wurde entwickelt, um all diesen Anforderungen gerecht zu werden. 1. Pseudozufallscode und PRN-Nummer Jeder der GPS-Satelliten sendet zwei Trägersignale im Mikrowellenbereich, genannt L1 und L2; die Bezeichnung L bezeichnet die Frequenz im L-Band (Das L-Band, wie vom IEEE definiert, ist der 1 bis 2 GHz-Bereich des Funkspektrums) ( 1000-2000 MHz). Zivile GPS-Empfänger verwenden die L1-Frequenz von 1575,42 MHz, was einer Wellenlänge von 19,05 cm entspricht. Die L2-Frequenz beträgt 1227,60 MHz und damit eine Wellenlänge (in der Physik ist die Wellenlänge einer Sinuswelle die räumliche Periode der Welle – der Abstand, über den sich die Wellenform wiederholt) von 24,45 cm. Die Frequenz L1 trägt sowohl die Navigationsdaten als auch den SP-Code (Standard-Positionierungscode). Der L2 Freqünz trägt nur den P-Code und wird von Empfängern, die nicht für den PPS (Precision Positioning Code) vorgesehen sind, nur zur Korrektur ionosphärischer Störungen verwendet. 1. die Frequenz sollte unter 2GHz gewählt werden, ansonsten sollten Richtantennen in den Empfangseinheiten benötigt werden. Ionosphärische Verzögerungen sind in den Bereichen kleiner als 100MHz und größer als 10GHz enorm hoch. 3. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen in Medien (z.B. in Luft) weicht stärker von der Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) ab, je geringer die Frequenz. Dies wiederum würde die Laufzeitberechnung für sehr niederfrequente Münzen negativ beeinflussen.
Die PRN-Codes erfordern eine große Bandbreite für die Codemodulation (In der Elektronik und Telekommunikation ist die Modulation der Prozess der Veränderung einer oder mehrerer Eigenschaften einer periodischen Wellenform, genannt Trägersignal, mit einem modulierenden Signal, das typischerweise zu übertragende Informationen enthält) auf der Trägerfrequenz, also sollte es ein entsprechend hoher Frequenzbereich mit einer großen Bandbreite sein. Die Trägerphasen werden durch drei verschiedene Binärcodes moduliert, den C/A-Code (“grobe Erfassung”).
Dieser Code ist 1023chip lang und wird mit einer Frequenz von 1,023Mhz übertragen. Ein Chip ist im Grunde das gleiche wie ein Bit, d.h. eine Eins oder eine Null. Allerdings wird hier der Begriff Chip verwendet, da das Signal keine Informationen enthält. Dieser Code moduliert das Trägersignal (In der Telekommunikation ist eine Trägerwelle, ein Trägersignal oder nur ein Träger eine Wellenform, die mit einem Eingangssignal zum Zwecke der Informationsübertragung moduliert wird) und verteilt es über eine Bandbreite (Bandbreite ist die Differenz zwischen der oberen und der unteren Frequenz in einem kontinuierlichen Satz von Frequenzen) von 1 MHz (Spreizspektrum (in der Telekommunikation und Funkübertragung), Spread-Spectrum-Techniken sind Verfahren, bei denen ein mit einer bestimmten Bandbreite erzeugtes Signal gezielt im Frequenzbereich verteilt wird, wodurch ein Signal mit einer größeren Bandbreite entsteht) ), was die Störanfälligkeit reduziert. Der C/A-Code ist ein Pseudozufallscode (PRN – Pseudozufallscode), der zufällig aussieht, aber für jeden der Satelliten klar definiert ist. Er wiederholt sich nach 1023bit oder einer Millisekunde (Eine Millisekunde ist eine Tausendstelsekunde). Das bedeutet, dass pro Sekunde 1023000 Chips ausgesendet werden, die aus der Lichtgeschwindigkeit die Länge eines Chips auf 300 m berechnen. Die Satelliten werden vom Empfänger oft über eine PRN-Nummer ( 1 32) identifiziert, die je nach Gerät auf dem Display des GPS-Empfängers zu finden ist.
Zur Vereinfachung des Satellitennetzes stehen 32 verschiedene PRN-Nummern zur Verfügung, obwohl nur 24 Satelliten für das System verwendet werden. Dadurch kann ein Ersatzsatellit gestartet und aktiviert werden, bevor der Austausch des Satelliten tatsächlich fehlschlägt. Für diesen Satelliten wird einfach eine der zusätzlichen Nummern verwendet. Der C/A-Code ist die Grundlage für alle zivilen GPS-Empfänger. Der P-Code (“precise”) moduliert sowohl die L1- als auch die L2-Trägerfrequenz (in Telekommunikationsanlagen ist die Trägerfrequenz ein technischer Begriff: Vage gesagt, die Mittenfrequenz oder die Frequenz einer Trägerwelle) und ist ein sehr langer 10.23MHz Pseudozufallscode (sieben Tage werden verwendet, aber der Code ist 266 Tage lang).im Anti-Spoofing (AS) Betrieb (manipulationssicherer Betrieb) wird der P-Code in einen Y-Code verschlüsselt. Der verschlüsselte Code erfordert für jeden Empfängerkanal ein spezielles AS-Modul und ist nur für autorisiertes Personal mit einem speziellen Schlüssel zugänglich. Der P- oder Y-Code ist die Grundlage für eine präzise (militärische) Positionsbestimmung. Das AS-System ist seit dem 31. Januar 1994 in Betrieb und der P-Code wird als verschlüsselter Y-Code gesendet. Die Navigationsmeldung wird zusätzlich zum C/A-Code in das L1-Signal mit 50bit/s moduliert. Es besteht aus einem 50Hz-Signal und enthält Daten wie Satellitenbahnen, Taktkorrekturen und andere. Diese Daten werden ständig von jedem Satelliten übertragen. Aus diesen Informationen erhält der GPS-Empfänger sein Datum und seine Uhrzeit, deren genaue Kenntnis für die Positionsbestimmung wichtig ist. Aus diesem Grund hat jeder GPS-Satellit seine eigene Cäsium-Atomuhr an Bord (mehrere wurden zur Sicherheit installiert), die allen Satelliten eine sehr genaue Zeit gibt. Die Navigationsmeldung besteht aus 1500bit, so dass die Übertragung 30 Sekunden dauert. Dieser 1500-Bit-Datenblock wird als Frame bezeichnet, der wiederum in fünf Subframes unterteilt ist. Diese sind in 10 Worte zu je 30 Bit unterteilt. Jeder dieser Unterrahmen beginnt mit zwei speziellen Wörtern: Zunächst ein Telemetriewort (TLM) mit Informationen über die Bahnkorrekturen der Satelliten. Das andere ist das Übergabewort (HOW), das alle 1,5s den Beginn eines Datensatzes in Bezug auf die GPS-Zeitstruktur der GPS-Navigationsdaten ermittelt: Das erste Teilbild enthält Informationen über den Zustand des Satelliten (“Health”), das Alter der Uhrdaten, Parameter zur Berechnung des Uhrenfehlers und die GPS-Wochennummer. Das zweite und dritte Teilbild enthalten die Parameter zur Berechnung der Ephemeride (In der Astronomie und der Himmelnavigation gibt eine Ephemeride die Positionen von natürlich vorkommenden astronomischen Objekten sowie künstlichen Satelliten am Himmel zu einem bestimmten Zeitpunkt oder zu bestimmten Zeiten an) und Korrekturparameter für die ionosphärische Ausbreitungsverzögerung (Propagation Delay ist ein Fachbegriff, der je nach Kontext eine andere Bedeutung haben kann). Die Subframes 4 und 5 enthalten die sogenannten Almanachdaten, die in vereinfachter Form Informationen über die Bahnparameter aller Satelliten, ihren technischen Zustand und ihre aktuelle Konfiguration, Identifikationsnummer usw. enthalten. Wenn ein Satellit die Signale nicht korrekt überträgt oder in seiner Umlaufbahn instabil ist, kann das US-Verteidigungsministerium ihn als ungesund kennzeichnen, was bedeutet, dass er von den Berechnungen ausgeschlossen ist. Ein häufiger Grund, warum ein Satellit als ungesund markiert ist, ist, dass er in eine andere Umlaufbahn umgeleitet werden muss. Während die ersten drei Subframes alle 30 Sekunden aktualisiert und wiederholt werden, benötigt der gesamte Almanach insgesamt 50 Subframes, d.h. 12,5 Minuten für die vollständige Übertragung. Diese Daten werden vom GPS-Empfänger gespeichert und dazu verwendet, zunächst nur nach den aktuell verfügbaren Satelliten zu suchen, und nun müssen Korrekturparameter für die Satellitenuhren übertragen werden, auch wenn die Atomuhren sehr genau sind. Jeder Satellit hat mehrere Atomuhren und damit eine sehr genaue Zeit. Die Atomuhren der einzelnen Satelliten sind jedoch nicht auf die GPS-Referenzzeit eingestellt, sondern laufen völlig frei. Aus diesem Grund werden Korrekturparameter für die Uhr jedes einzelnen Satelliten benötigt. Die GPS-Referenzzeit unterscheidet sich von der UTM-Zeit (Weltzeit), die regelmäßig an die Erdrotation angepasst wird.
Durch die Speicherung von Almanach- und Ephemeriddaten im GPS-Empfänger benötigt der Empfänger, der nicht zu lange ausgeschaltet war, nur eine kurze Zeit, um seine Position zu bestimmen. Sind sowohl die im Empfänger gespeicherten Almanach- als auch die Ephemeriddaten aktuell, spricht man von einem Warmstart beim Einschalten des Gerätes, die Positionsbestimmung dauert nur ca. 15 Sekunden. Sind die Ephemeriden veraltet, müssen sie vor der ersten Positionsberechnung erneut empfangen werden, man spricht von einem Kaltstart. Es dauert etwa 45 Sekunden, bis die erste Position bestimmt ist. Sind die Almanachdaten veraltet, was beim Ausschalten des Empfängers für einige Wochen geschieht, muss zunächst die Übertragung der Almanachdaten abgewartet werden, um entscheiden zu können, welche Satelliten empfangen werden können. Dies kann bis zu 10 Minuten dauern.
Wurde die Position des Empfängers beim Ausschalten um mehr als 300 km verändert, entsprechen die erreichbaren Satelliten nicht mehr den vom Empfänger erwarteten Satelliten, die noch von der alten Position ausgehen, weshalb die Zeit bis zur Bestimmung der ersten Position länger dauert. Bei den meisten GPS-Empfängern kann dies durch die Eingabe des ungefähren Standortes oder der Tatsache, dass er geändert wurde, erleichtert werden.
3. Signalverschiebung Wie oben beschrieben, sendet jeder Satellit einen Pseudozufallscode (PRN), der dem Empfänger bekannt ist.
Das bedeutet, dass der Empfänger die gespeicherte PRN mit dem gerade empfangenen Code vergleichen kann. Ausgefüllte Felder sollten binär1 und Leerzeichen a 0 darstellen, das violette Signal ist das Signal des Satelliten, das orange das Signal des Empfängers. Sie können nun einfach bestimmen, wie weit Sie das Signal bewegen müssen, um es direkt zur Deckung zu bringen. Die Entfernung zum Satelliten kann aus der Verschiebung berechnet werden, die einer Zeit entspricht, nämlich der Signallaufzeit vom Satelliten zur Erde .
Vergleich zweier Signale: Oben: verschoben; Unten: Abgestimmt Die Signale, obwohl sehr schwach und zu allen Satelliten auf einer Frequenz übertragen, werden durch einen eleganten Algorithmus namens Kreuzkorrelation verschoben. Diese zeichnet sich durch eine hohe Störunempfindlichkeit aus.
Die folgende Grafik veranschaulicht die Vorgehensweise anhand eines einfachen und eindeutigen Signals. Oben sehen Sie einen Ausschnitt eines PRN-Codes eines Satelliten, in der Mitte den gleichen Code des Receivers. Im ersten Beispiel ist der Code des Empfängers noch zu spät, wie die grüne Leiste zeigt. Bei der Kreuzkorrelation (In der Signalverarbeitung ist die Kreuzkorrelation ein Maß für die Ähnlichkeit zweier Reihen in Abhängigkeit von der Verschiebung der einen relativ zur anderen) werden die Signale nun miteinander multipliziert. Daraus ergibt sich das untere Signal. Addiert man nun das untere Signal, was im ersten Fall einen Wert von 9 ergibt, so erhält man für jede Schicht einen numerischen Wert, wenn das Signal nun Schritt für Schritt um eine Einheit verschoben wird und jeweils der gleiche Vorgang ausgeführt wird.
Im mittleren Beispiel ist das Empfangssignal genau das gleiche wie das Satellitensignal. Wie man sieht, ist die Summe im zweiten Beispiel deutlich größer als im ersten. Wird das Signal noch weiter verschoben, wie im dritten Beispiel, wird die Summe wieder kleiner. Diese soll nun auf die Dimensionen der GPS-Signale übertragen werden. Wie bereits erwähnt, besteht der C/A-Code aus 1023 Chips, die mit einer Frequenz von 1,023 MHz gesendet werden und sich alle 1000 Mikrosekunden wiederholen. Bei einer Lichtgeschwindigkeit (Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, allgemein bezeichnet, ist eine universelle physikalische Konstante, die in vielen Bereichen der Physik wichtig ist) von etwa 300000km/s entspricht dies einer Entfernung von 300km. Das Signal wiederholt sich alle 300 km. Ein Balken in Anhang 5 entspricht einem Chip im GPS-Signal. Die von uns berechnete Signalverschiebung von 3 entspricht 3 Chips oder 3 Mikrosekunden. Dies entspricht einer Entfernung von 0,9 km. Nun stellt sich die Frage, was soll eine Entfernung von 0,9 km bedeuten? Andererseits erkennt der aufmerksame Leser, dass, wenn man nur die Signalverschiebung auf 1 Mikrosekunde kennt, die Entfernung nur auf 300m bekannt ist und wie kann GPS so genau sein? Die Antwort ist, dass moderne GPS-Empfänger in der Lage sind, die Signalverschiebung auf bis zu 1% eines Chips zu bestimmen, wodurch die Entfernung zum Satelliten idealerweise mit einer Genauigkeit von 3m berechnet werden kann.
Die erste Frage zeigt, dass der Receiver zunächst nur einen Entfernungswert zum Satelliten zwischen 0 und 300 km berechnen kann. Entweder kennt der Empfänger nun seine Position ungefähr, weil seine letzte Positionsbestimmung an einem Ort (weniger als 300 km entfernt) durchgeführt wurde, oder es gibt eine ganze Reihe von möglichen Positionen, aus denen die aktuelle Position durch Iteration ermittelt werden kann, d.h. eine schrittweise Annäherung an den richtigen Wert. Einfacher gesagt ist, wenn es mehrere Möglichkeiten gibt, das Richtige in der Mitte dieser Wege zu finden.
Diese Möglichkeiten werden z.B. dadurch eingeschränkt, dass sich der Empfänger in einem begrenzten Abstand von der Erdoberfläche befinden muss oder durch die mit der Zeit empfangenen Satelliten. Bei einem nagelneuen Empfänger, der noch nicht benutzt wurde, dauert der Vorgang einige Zeit. Daher bieten die meisten Empfänger die Funktion der ungefähren Eingabe der Position nach einem größeren Ortswechsel. C. Geschwindigkeit Das System kann sowohl die Geschwindigkeit des Empfängers als auch die Position berechnen. Es gibt 2 Möglichkeiten. Die erste Methode für Low-Cost-Empfänger ist die Bestimmung der Geschwindigkeit durch Vergleich der Positionsänderung über ein bestimmtes Zeitintervall. Mathematisch wird die erste Ableitung des Ortes berücksichtigt, wobei v die Geschwindigkeit und u der dreidimensionale Ortsvektor des Benutzers ist. Der Nachteil dieser einfachen Methode ist, dass sie sehr langsam auf Geschwindigkeitsänderungen reagiert und daher nur bei nahezu konstanter Geschwindigkeit gute Ergebnisse liefert. Außerdem hat es den Nachteil, dass Ungenauigkeiten bei der Positionsbestimmung sich direkt auf die Geschwindigkeit auswirken und sie dadurch erheblich verfälschen können. 2. Berechnung durch Doppler-Frequenzverschiebung der Signale Wird die Geschwindigkeit aus der Doppler-Verschiebung (Der Doppler-Effekt ist die Änderung der Frequenz oder Wellenlänge einer Welle für einen sich relativ zu ihrer Quelle bewegenden Beobachter) der Satellitensignale (d.h. des L1-Trägers) berechnet, treten die in 4.3.1 genannten Probleme nicht auf. Der physikalische Effekt wurde erstmals 1842 vom österreichischen Physiker Christian Johann Doppler für Schallwellen formuliert. Er entdeckte, dass, wenn eine Schallhülle einen Klang mit konstanter Frequenz abgibt und sich auf einen Beobachter zu oder von ihm weg bewegt, der Klang höher oder niedriger wird. Später stellte sich heraus, dass dieser Effekt auch für elektromagnetische Wellen gilt (in der Physik bezieht sich elektromagnetische Strahlung auf die Wellen des elektromagnetischen Feldes, die sich durch den Raum ausbreiten und elektromagnetische Strahlungsenergie transportieren), wobei die Frequenzverschiebung D f proportional zur Relativgeschwindigkeit von Sender und Empfänger ist.
Das Problem ist, dass die Sender nicht in Ruhe sind, so dass die relative Geschwindigkeit nicht einfach zur Bestimmung der absoluten Geschwindigkeit des Empfängers verwendet werden kann.
Das GPS-Gerät kennt jedoch die Bahndaten der Satelliten und kann aus diesen Daten deren Geschwindigkeit bestimmen. Nun können Sie direkt aus der gemessenen Frequenzverschiebung die Geschwindigkeit des Benutzers berechnen und dies mit einer recht hohen Genauigkeit.
V. GPS in Entwicklung und aktuellem Einsatz[2]. Das Global Position System (GPS) wurde entwickelt, um die Nachteile des älteren TRANSIT-Systems zu beseitigen. Heute liefert das GPS eine sofortige 3D-Position und Zeit, aus der Richtung und Geschwindigkeit berechnet werden können. Darüber hinaus ist die heutige GPS-Technologie schnell, ausreichend genau und kann von jedem überall genutzt werden.
A. Die Entwicklung des GPS-Systems Das amerikanische Verteidigungsministerium hatte das GPS-System implementiert und betrieben. Dieses System besteht aus 24 Satelliten, die die Erde in einer Höhe von 20200 km umkreisen. GPS-Satelliten senden Signale aus, die den genauen Standort eines GPS-Empfängers ermöglichen. Die Empfänger können ihre Position bestimmen, wenn sie sich auf der Erdoberfläche in der Erdatmosphäre oder in einer niedrigeren Umlaufbahn bewegen. GPS wird in der Luft-, Land- und Seefahrt, aber auch in der Landvermessung und anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf eine präzise Positionierung ankommt.
Das GPS-Signal wird jedem kostenlos zur Verfügung gestellt, der über einen GPS-Empfänger verfügt und eine uneingeschränkte Sicht auf die Satelliten hat.
Landgestützte Funkortungs- und Navigationssysteme für die Luft- und Schifffahrt sind seit Jahrzehnten im Einsatz. Die Ortungsverfahren basieren auf Peilung oder Flugzeitmessung. Fortschritte in der Weltraum- und Informationsverarbeitung durch hochintegrierte Bauelemente haben es ermöglicht, ein satellitengestütztes Funkpositionierungs- und Navigationssystem mit hoher Genauigkeit zu schaffen.
Im Jahr 1981 wurden Versuche mit diesem in den USA entwickelten System gestartet, NAVigation System using Time And Ranging – Global Position System – NAVSTAR-GPS. Funkortungssysteme sind seit langem Gegenstand umfangreicher Entwicklungsarbeiten. Im Mittelpunkt stand die Positionierung als Navigationsmittel. Sextant (Ein Sextant ist ein doppelt reflektierendes Navigationsinstrument, das den Winkel zwischen zwei sichtbaren Objekten misst) (Astronavigation (Celestial navigation, auch Astronavigation genannt, ist die alte Wissenschaft der Positionsbestimmung, die es einem Navigator ermöglicht, durch einen Raum zu navigieren, ohne sich auf geschätzte Berechnungen verlassen zu müssen,
(Ein Kompass ist ein Instrument zur Navigation und Orientierung, das die Richtung relativ zu den geografischen “Himmelsrichtungen” oder “Punkten” anzeigt) und der Geschwindigkeitsschlitz (“log”) war früher das Mittel zur Bestimmung von Orten und dann zur Navigation. 1973 ordnete das US-Verteidigungsministerium (das Verteidigungsministerium ist eine Exekutivabteilung der Bundesregierung der Vereinigten Staaten, die mit der Koordinierung und Überwachung aller Behörden und Funktionen der Regierung beauftragt ist, die direkt mit der nationalen Sicherheit und den Streitkräften der Vereinigten Staaten befasst sind) die Entwicklung eines satellitengestützten Systems an.
Dieses Navigationssystem musste die dreidimensionale Position von stehenden und bewegten Objekten auf der Erde und im erdnahen Raum in Echtzeit bestimmen. Es soll Zeitdaten liefern, die Geschwindigkeit von bewegten Objekten bestimmen und mit einer unbegrenzten Anzahl von gleichzeitigen Nutzern unabhängig von den meteorologischen Bedingungen einwandfrei arbeiten. Dieses System musste ein hohes Maß an Schutz gegen unbeabsichtigte und absichtliche Fehlfunktionen bieten. Darüber hinaus musste das GPS eine hohe Genauigkeit bei der Positionsbestimmung und Zeitinformation bieten. Die ersten Systemtests fanden zwischen 1974 und 1979 statt.
Zwischen 1978 und 1985 wurden elf Block I-Satelliten mit einer Masse von je 845 kg aus Kalifornien gestartet, von denen heute keiner in Betrieb ist.
Diese Satelliten wurden für eine Lebensdauer von 4,5 Jahren konzipiert, wobei die Satelliten ihr geplantes Alter um weitere fünf Jahre überstehen. Einer der Satelliten war 13 Jahre lang in Betrieb. Bei Block I-Satelliten waren alle Signale für zivile Nutzer zugänglich. Sie wurden nur zum Testen des Systems verwendet.
In den Jahren 1980 bis 1982 war die Finanzierung immer wieder gefährdet, da die Vorteile des Systems für die Geldgeber oft nicht mehr erkennbar waren.
Ein Jahr später, nachdem das koreanische Zivilflugzeug der Fluggesellschaft 007 über dem sowjetischen Territorium abgeschossen worden war, wurde beschlossen, das GPS-System für die zivile Nutzung zur Verfügung zu stellen. 1986 verursachte der Unfall des Space Shuttle Challenger einen Rückschlag, da in der Zwischenzeit beschlossen wurde, das Space Shuttle für den Transport von Block II GPS-Satelliten in die Umlaufbahn einzusetzen.
Schließlich wurden die ursprünglich geplanten Delta-Raketen wieder eingesetzt. Die Block-II-Satelliten wiegen über 1500 kg, etwa doppelt so viel wie die Block-I-Satelliten. Der erste dieser Satelliten wurde 1989 von Cape Canaveral aus gestartet. Bis September 1996 wurden insgesamt 9 BlockII-Satelliten und 18 BlockIIA-Satelliten gestartet. Obwohl sich die 24 Satelliten noch auf sechs verschiedenen Umlaufbahnen befinden, die jeweils einen gleichen Winkel zum Äquator haben, haben die neuen Block II-Satelliten eine etwas andere Konstellation (Eine Satellitenkonstellation ist eine Gruppe von künstlichen Satelliten, die zusammen arbeiten). 1990 wurde der erste Block IIA-Satellit (A steht für Advanced) gestartet. (siehe Anhang 6) Die Satelliten BlockII und Block IIA haben jeweils zwei Rubidium und zwei Cäsium (Cäsium oder Cäsium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Cs und der Ordnungszahl 55) Atomuhren mit einer Taktstabilität von 10-13s. Die Satelliten des IIR-Blocks haben drei Rubidium (Rubidium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Rb und der Ordnungszahl 37) Atomuhren an Bord, bei diesen Satelliten ist nur das sogenannte C/A-Signal (Coarse/Aquisition) für zivile Anwendungen zugänglich.2]. Die nächste Generation [ Block IIR (“Refresh”)] wird zwei Satelliten mit einer Delta-Rakete in die Umlaufbahn bringen (Delta ist eine vielseitige amerikanische Familie von Einwegstartsystemen, die in den Vereinigten Staaten seit 1960 Raumfahrtfähigkeit bietet). Die ersten beiden Satelliten waren bereits verloren, da die DeltaII-Rakete kurz nach dem Start aufgrund einer Fehlfunktion zerstört werden musste.
(siehe Anhang 7) Die nächste Generation von Satelliten (“BlockIIF”) wird eine zweite Frequenz für den zivilen Einsatz haben, die eine noch genauere Positionsbestimmung ermöglicht. Nach derzeitiger Planung werden diese Satelliten jedoch erst ab 2005 in Betrieb sein. (siehe Anhang 8 )Die BlockII-Satelliten haben noch einige zusätzliche Fähigkeiten, die nichts mit dem eigentlichen GPS-System zu tun haben.
Dazu gehören beispielsweise Sensoren, die atomare Explosionen erkennen können. Der Block IIA (A GPS satellite is a satellite used by the NAVSTAR Global Positioning System) Satellit wurde am 30. Januar 2001 von Cape Canaveral aus gestartet. Durch die Verwendung von Hochfrequenzmünzen können die Signale nicht in Wasser oder Stein eindringen und werden durch sehr dichte Aufforstung stark gedämpft.
B. Die Struktur eines GPS-Satelliten Das Global Position System besteht aus drei Grundelementen. Das Raumsegment, das Kontrollsegment und das Benutzer-/Benutzersegment (siehe Anhang 9). Das Raumsegment besteht seit seiner letzten Bauphase aus 24 Satelliten, die die Erde in einer Höhe von jeweils rund 20200 km auf sechs Orbitalebenen mit vier Satelliten umkreisen. 21 der 24 Satelliten gelten als reguläre Satelliten und die restlichen drei als Reservesatelliten. Die durchschnittliche Geschwindigkeit der Satelliten beträgt ca. 14000 Stundenkilometer und benötigt daher ca. 12 Stunden, um die Erde zu umkreisen. Da sich die Erde unter den Satelliten weiter dreht, fliegt ein bestimmter Satellit nur einmal in 24 Stunden über einen Punkt auf der Erde. Die Satelliten enthalten einen Sender, einen Empfänger, eine Antenne und mehrere Atomuhren. Die genaue Uhrzeit spielt im GPS eine wichtige Rolle. Solche Atomuhren gehen in etwa 2 Millionen Jahren nur 1 Sekunde schief. Ein Fehler in der Laufzeitmessung des Satellitensignals von einer Zehntausendstelsekunde führt bereits zu einer falschen Position von 30 Kilometern. (siehe Anhang 10) Die GPS-Satelliten bewegen sich in Gruppen auf Umlaufbahnen, deren Ebenen eine Neigung von 55° zur Äquatorebene haben. Die Bahnen haben untereinander eine Rektaszensionsdifferenz (“Rektaszension” (Rektaszension ist der nach Osten entlang des Himmelsäquators gemessene Winkelabstand vom Frühlingsäquinoktium zum Stundenkreis des betreffenden Punktes) hat im äquatorialen Koordinatensystem die gleiche Bedeutung (das äquatoriale Koordinatensystem ist ein Himmelskoordinatensystem, das zur Bestimmung der Positionen von Himmelskörpern weit verbreitet ist) wie die Längen des geographischen Bezugssystems der Erde) von 60°. Die US Army hat das kontrollierte Segment unter ihrer Kontrolle. Es besteht aus einer Hauptkontrollstation in Colorado Springs und vier weiteren Stationen, den Überwachungsstationen und den Bodenkontrollstationen. Sie berechnen die Satellitenbahnen im Voraus, überwachen die Satellitenuhren, übertragen die Navigationsmeldungen an die Satelliten und haben die Gesamtsteuerung des Systems. Die Position der Kontrollstationen ist so gewählt, dass jeder Satellit mindestens einmal täglich gleichzeitig Sichtkontakt mit vier von ihnen hat. Der Grund dafür ist, dass der Ortungsvorgang umgekehrt ist, um die Satelliten zu steuern. Dazu werden die empfangenen Daten an die Zentrale gesendet. Er kennt die genaue Position der Kontrollstationen und kann aus den vier Laufzeitmessungen die genaue Position des Satelliten und seine Taktgenauigkeit überprüfen. Entspricht die gemessene Satellitenposition oder deren Zeit nicht den von ihr übertragenen Daten, berechnet die Zentrale neue Navigationsmeldungen, die über die Sendestationen an den jeweiligen Satelliten gesendet werden. Ziel ist es dabei, dem Benutzer stets präzise Navigationsmittel zur Verfügung zu stellen und ihm so die höchstmögliche Genauigkeit zu bieten. Anhang 11 zeigt die Verteilung der Bodenstationen auf der Erde. Die GPS-Empfänger sind das Nutzersegment, das die Signale der Satelliten erfasst und verarbeitet. Diese Empfänger bestehen aus einer Antenne, einem Vorverstärker (Ein Vorverstärker ist ein elektronischer Verstärker, der ein schwaches elektrisches Signal in ein Ausgangssignal umwandelt, das stark genug ist, um rauschunempfindlich und stark genug für die weitere Verarbeitung zu sein), einem Hochfrequenz-Münzgerät, einem Mikroprozessor (Ein Mikroprozessor ist ein Computerprozessor, der die Funktionen der Zentraleinheit eines Computers auf einer einzigen integrierten Schaltung oder höchstens einigen integrierten Schaltungen beinhaltet), einem Datenspeicher und der Stromversorgung.
Der GPS-Empfänger enthält keine Atomuhr (Eine Atomuhr ist eine Uhr, die eine elektronische Übergangsfrequenz im Mikrowellen-, optischen oder ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums von Atomen als Frequenznormal für ihr Zeitnahmeelement verwendet) weil sie zu groß und zu teuer wäre. Der einfache Quarz (Eine Quarzuhr ist eine Uhr, die einen elektronischen Oszillator verwendet, der durch einen Quarzkristall geregelt wird, um die Zeit zu halten) Uhren verursachen große Fehler. Die einfachste Lösung für dieses Problem ist ein vierter Satellit. Bei einer zusätzlichen Messung kann dieser Zeitfehler ignoriert werden. Delta-Raketen transportieren die GPS-Satelliten von Cape Canaveral (Cape Canaveral, vom spanischen Cabo Cañaveral, ist ein Kap in Brevard County, Florida , USA , nahe dem Zentrum der Atlantikküste des Staates) in Florida (USA ) auf eine Umlaufbahn in 17440 Kilometer Höhe, wo sie die Erde in zwölf Stunden umkreisen. Die Bahnen sind in einem Winkel von 55° zum Äquator geneigt (der Äquator bezieht sich normalerweise auf eine imaginäre Linie auf der Erdoberfläche, die vom Nordpol und Südpol äquidistant ist und die Erde in die nördliche und südliche Hemisphäre unterteilt) so dass sie auch in den Polarregionen empfangen können. Da sie von Solarzellen mit Energie versorgt werden, drehen sich die Satelliten ständig so, dass sie in Richtung Sonne und die Antennen in Richtung Erde zeigen. Der erste Punkt ist der Standort. Das Zielen von Punkten (als Ersatz für den Kompassmarsch) ist der zweite Punkt. Der dritte und letzte Anwendungspunkt ist die Zeitplanung und -kontrolle während der Wanderungen.
1) Militärischer Einsatz Das System wurde von den Amerikanern Anfang der 1980er Jahre entwickelt, um es ihren Streitkräften zu ermöglichen, ihre Position jederzeit und überall genau zu bestimmen. Die Überlegenheit dieses Systems wurde im Zweiten Golfkrieg überzeugend demonstriert. Die Satelliten gewährleisten eine genaue Ortung, Geschwindigkeits- und Zeitmessung bei jedem Wetter. Überwachungsstationen befinden sich in Hawaii (Hawaii ist der 50. und jüngste Staat, der den Vereinigten Staaten von Amerika beigetreten ist, nachdem er am 21. August 1959 die Staatlichkeit erhalten hat), Ascension Island (Ascension Island ist eine isolierte Vulkaninsel in den äquatorialen Gewässern des Südatlantiks, rund um die Küste Afrikas und von der Küste Brasiliens, die etwa auf halbem Weg zwischen dem Horn von Südamerika und Afrika liegt) im Atlantik, Diego Garcia (Diego Garcia ist ein Atoll südlich des Äquators im zentralen Indischen Ozean und die größte von 60 kleinen Inseln, die den Chagos-Archipel umfasst) im Indischen Ozean (der Indische Ozean ist die drittgrößte der ozeanischen Divisionen der Welt, die sich über die Insel Kwajalein erstreckt) und auf der Insel Kwajalein (Kwajalein Atoll ist Teil der Republik der Marshallinseln) im Südpazifik. Die dort durchgeführten Messungen ermöglichen es, die genauen Umlaufbahnen der zu erwartenden Satelliten zu berechnen. Diese Prognosedaten, die wiederum über Satellit an die Empfänger gesendet werden, sind Voraussetzung für die Positionsbestimmung.
Das Raketen-GPS wurde und wird militärisch in Kampfflugzeugen, Kampfhubschraubern, Kriegsschiffen, U-Booten, Panzern und anderen Militärfahrzeugen eingesetzt. Darüber hinaus gehören GPS-Geräte, wie im Golfkrieg, zur Kampfausrüstung von Soldaten. Darüber hinaus ist GPS eine Navigationshilfe für die Raketenzielortung und wird in so genannten intelligenten Bomben zur Bestimmung des Auftreffpunktes eingesetzt.
2. Nutzung für die Zivilbevölkerung Die zivile Nutzung von GPS ist breit gefächert. GPS wird heute in Flugzeugen und Schiffen zur Routennavigation und zur Annäherung an Flughäfen und Häfen eingesetzt. GPS-Route (Ein Wegpunkt ist ein Begriff, der sich auf einen Zwischenpunkt oder einen Ort auf einer Route oder Linie bezieht, einen Haltepunkt oder einen Punkt, an dem der Kurs geändert wird, erste Verwendung des Begriffs Tracing bis 1880) Systeme überwachen Lastwagen und Einsatzfahrzeuge, um die bestmögliche Routenführung zu gewährleisten. Für Radfahrer und Mountainbiker wird der GPS-Empfänger mit einer entsprechenden Halterung am Lenker befestigt. Sie gibt Auskunft über Geschwindigkeit, Durchschnitts- und Höchstgeschwindigkeit, berechnet die zurückgelegte Wegstrecke und die verbleibende Entfernung zum Ziel einschließlich der Ankunftszeit. Gerade bei Skitouren ist der GPS-Empfänger ein unverzichtbarer Helfer. Der aktuelle Standort, die Route zum Ziel oder der Rückweg kann auch bei plötzlichem Wetterwechsel durch Schnee oder Nebel angezeigt werden. Sollte ein Notfall eintreten, kann auf Basis exakter Positionseingaben zielgerichtet geholfen werden.
Im Auto ist jede Fensternähe zu bevorzugen. Diese Empfänger werden verwendet, um das Fahrzeug in Verbindung mit entsprechenden digitalen Karten zu navigieren, die genaue Position im Falle eines Unfalls oder zur möglichen Diebstahlverfolgung zu übermitteln. GPS-Empfänger in Zügen, Bussen und LKWs werden zur Überwachung von Fahrzeugen in entsprechenden Leitstellen eingesetzt.
Für Eisenbahnen und Flugzeuge gilt das Gleiche wie für Autos. Für Schiffe gilt das Gleiche wie für andere Transportmittel. Da es keine Berge am Meer gibt, sind die Empfangsbedingungen meist sehr gut. Im Inneren ist der Empfang auf die Nähe des Fensters beschränkt. In der Raumfahrt werden diese Empfänger an Bord von Satelliten zur Bestimmung ihrer Höhe und Position eingesetzt. Anwendungen, die GPS zur Zeitsteuerung nutzen, sind beispielsweise die Synchronisation von Telekommunikationsanlagen, die Synchronisation von astronomischen Observatorien, die Synchronisation von Fehlererkennungsgeräten im Stromversorgungsnetz und die Synchronisation von Seismographen zur präzisen Erdbeobachtung. GPS sind auch für Bergsteiger besonders nützlich. Das Mobilteil empfängt Satellitensignale und berechnet die aktuellen Standortkoordinaten und die Höhe. Es gibt viele Vorteile gegenüber dem Kompass. Der Standort kann jederzeit ermittelt werden. Auch die aktuelle Richtung und die fehlende Entfernung zu einem Ziel. Die Route kann besser an das Gelände und die Bedingungen angepasst werden, da Hindernisse leicht umgangen und Gefahrenzonen vermieden werden können und keine auffälligen Geländepunkte für die Navigation notwendig sind.
E. Selektive Verfügbarkeit (“Selective Availability”, SA) Da die Signale von GPS-Satelliten überall auf der Welt empfangen und verwendet werden können, hat das amerikanische Militär ein Verfahren entwickelt, um beispielsweise zu verhindern, dass feindliche Streitkräfte GPS für ihre eigenen Zwecke und möglicherweise gegen die USA verwenden: Selective Availability (Die Analyse von Fehlern, die mit dem Global Positioning System berechnet werden, ist wichtig, um zu verstehen, wie GPS funktioniert und um zu wissen, welche Fehlergröße zu erwarten ist): Begrenzte Verfügbarkeit
Die SA garantiert, dass nicht autorisierte Benutzergruppen nur eine begrenzte Genauigkeit des GPS haben, die etwa 100m über- oder unterschreitet.
Die Satellitenuhren wurden künstlich verfälscht, was die Messergebnisse für zivile Nutzer bewusst verschlechtert. Berechtigte Benutzer hatten jedoch die Möglichkeit, die SA durch Dekodierung verschlüsselter Daten zu umgehen. Da der Wunsch nach einer Erhöhung der Genauigkeit auch im zivilen Anwenderbereich (z.B. Vermessungstechnik, Flugnavigation etc.) bestand, wurden verschiedene Verfahren zur Umgehung der SA entwickelt, z.B. das DGPS und die unterstützende Trägheitsnavigation, sowie die Positionsmittelwertbildung (“Position Averaging”). Seit dem 2. Mai 2000 um 5:05 Uhr (MEZ (Mitteleuropäische Zeit, die in den meisten Teilen Europas und einigen nordafrikanischen Ländern verwendet wird, ist eine Standardzeit, die 1 Stunde vor der Koordinierten Weltzeit liegt), existiert der größte Faktor für die Positionsgenauigkeit des GPS vorerst nicht mehr. An diesem Tag wurde die SA geschlossen. Die folgenden beiden Diagramme veranschaulichen die Verbesserung der Positionsbestimmung durch Abschalten des SA. Die Kantenlänge der Diagramme beträgt jeweils 200 Meter, die Daten wurden über 24 Stunden am 1. Mai 2000 bzw. 3. Mai 2000 aufgezeichnet. Während bei SA 95% der Messwerte innerhalb eines Radius von 45m liegen, liegen ohne SA 95% der Werte innerhalb eines Radius von 6,3m. F. GPS (The Global Positioning System ist ein weltraumgestütztes Funknavigationssystem der US-Regierung und wird von der US-Luftwaffe betrieben) Fehlerquellen Trotz der Genauigkeit der eingebauten Uhren in den Satelliten und Empfängern gibt es immer einen Restfehler in der Zeitmessung; diese haben einen Effekt von etwa plus/minus 1,5m. Die Schwankungen in den Umlaufbahnen der Satelliten führen auch zu einer ungenauen Position der Satelliten. Die Sonne und der Mond stören die Satelliten auf ihren Umlaufbahnen, was sich in der endgültigen Berechnung mit einer Ungenauigkeit von plus/minus 2,5m bemerkbar macht.
Die Erdatmosphäre ist ein weiterer Faktor. Das Wetter, das hauptsächlich in der Troposphäre stattfindet (die Troposphäre ist der niedrigste Teil der Erdatmosphäre und ist auch der Ort, an dem fast jedes Wetter stattfindet), ist eine unvorhersehbar schnelle Abfolge von Hoch- und Tiefdruckgebieten und instabiler Feuchtigkeit. Alle diese Faktoren wirken sich auf die Signalausbreitung und damit auf das Messergebnis aus, auch wenn der Effekt nicht besonders groß ist (plus/minus 0,5m). Die Ionosphäre ist eine Schicht aus geladenen Teilchen in der Atmosphäre, die insbesondere mit Radiowellen interagieren. Obwohl die von GPS verwendeten Frequenzmünzen so gewählt wurden, dass die Ionosphäre (die Ionosphäre ist eine Region der oberen Erdatmosphäre, von etwa bis zur Höhe, und umfasst die Thermosphäre und Teile der Mesosphäre und Exosphäre) so wenig Störungen wie möglich aufweist, gibt es immer noch etwa plus/minus 5 (The Minus 5 ist eine amerikanische Pop-Rockband, angeführt vom Musiker Scott McCaughey und am häufigsten mit R.E.M.) .0m Restfehler. Ein Multipath ist die Störwirkung von Signalreflexionen auf Objekte in der Nähe des Messortes. Je nach Form und Material des reflektierenden Objektes (Bäume , Gebäude und Strommasten aus Stahl) können Pseudo-Range-Fehler von bis zu 100m auftreten (z.B. bei abgewinkelten Gebäuden). In der Regel bleiben sie jedoch im Bereich von wenigen Metern bis zu einem Bruchteil davon. Dieser Effekt entsteht durch Mehrfachreflexionen des Signals. Diese Mehrwegausbreitung (Multipath ist in der drahtlosen Telekommunikation das Ausbreitungsphänomen, das dazu führt, dass Funksignale über zwei oder mehr Wege zur Empfangsantenne gelangen) des Satellitensignals tritt hauptsächlich in der Nähe von reflektierenden Oberflächen auf und kann die gemessenen Phasen bis zu mehreren Zentimetern verzerren. Sender oder andere elektrische Geräte (Hochspannungsleitungen, Freileitungen, Transformatoren (ist ein Medien-Franchise des amerikanischen Spielzeugherstellers Hasbro und des japanischen Spielzeugherstellers Takara Tomy)) in unmittelbarer Nähe der Antenne können ebenfalls die Satellitensignale beeinflussen. Zusammenfassung VI Da Menschen auf diesem Planeten reisen, ist es für sie wichtig, ihre jeweilige Position zu kennen. Früher wurde der Stern beobachtet. Aber bei schlechtem Wetter waren weder die Sonne noch die Sterne zu sehen, an denen man sich hätte orientieren können. Heute kann der Mensch seine Position bei jedem Wetter, zu jeder Zeit und an fast jedem Ort der Erde mit Hilfe des satellitengestützten GPS-Navigationssystems bestimmen. So ist das GPS-Gerät für Helmut und Klaus als Bergsteiger sehr nützlich, da sie bei Dunkelheit, starkem Nebel oder Schneefall den Weg zurückfinden können. Es ist klar, dass GPS im zivilen Bereich in den letzten drei Jahren an Bedeutung gewonnen hat. Sie ist aus der heutigen Welt nicht mehr wegzudenken, vor allem wegen des freien Empfangs, da dieses Navigationssystem sehr vielseitig einsetzbar ist.