Global Positioning System
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Das Global Positioning System (GPS) ist ein satellitengestütztes Navigationssystem zur weltweiten Positionsbestimmung, das vom Verteidigungsministerium der USA betrieben wird. GPS löste das ältere Satellitennavigationssystem Transit der United States Navy ab.
Die offizielle Bezeichnung war zu Beginn NAVSTAR - GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System). Seit einigen Jahren wird das System nur noch als GPS (Global Positioning System) bezeichnet. GPS wurde am 17. Juli 1995 offiziell in Betrieb genommen.
| Inhaltsverzeichnis |
Einsatzbereiche
GPS ist ursprünglich zur Positionsbestimmung und Navigation im militärischen Bereich (in Waffensystemen, Kriegsschiffen, Flugzeugen) usw. vorgesehen. Heute wird es jedoch auch im zivilen Bereich genutzt: in der Seefahrt, Luftfahrt, durch Navigationssysteme im Auto, zur Orientierung im Outdoor-Bereich, im Vermessungswesen etc. In der Seefahrt löste GPS verschiedene ältere, auf Funktechnik basierende Navigationssysteme wie z.B. Decca oder OMEGA ab.
Da heutige GPS-Geräte normalerweise einen internen Logspeicher haben, in dem zu definierten Zeitpunkten Einträge erfolgen, wird GPS immer stärker auch als Dokumentationssystem eingesetzt: Insbesondere bei Segelflugzeugen, Hängegleitern und Gleitschirmen hat sich die GPS-Dokumentation bei Wettkämpfen als Standard durchgesetzt.
Aber auch im Flottenmanagement von Spediteuren und im Außendienst ist GPS ein immer wichtiger werdender Punkt zur Optimierung der eingesetzten Mittel.
Die Übertragung von Positionsdaten von GPS-Empfängern zu anderen Geräten erfolgt heute oftmals gemäß dem NMEA-0183 Standard.
Aufbau und Funktionsweise
GPS basiert auf mindestens 24 Satelliten, die die Erde alle zwölf Stunden auf sechs unterschiedlichen orbitalen Ebenen in einer Höhe von 20.200 km mit einer Inklination von etwa 55° umkreisen und dabei Signale ausstrahlen, die von speziellen Empfangsgeräten ausgewertet werden können. Aus den Laufzeiten, die diese Signale benötigen, um von den einzelnen Satelliten zum Empfänger zu gelangen, kann das Gerät seine Entfernung von diesen Satelliten errechnen. Aus diesen Entferungsmessungen kann dann die Position des Empfängers relativ zu den Satelliten bestimmt werden. Für eine solche räumliche Positionsbestimmung sind die Signale von mindestens vier Satelliten notwendig. Da die Uhren in den Satellitenempfängern schon nach kurzer Zeit nicht mehr genügend genau mit der Systemzeit synchronisiert sind, muss für jede Positionsbestimmung auch die Abweichung der Empfängeruhrzeit von der Systemuhrzeit bestimmt werden. Daher benötigt man einen vierten Satelliten – und damit eine vierte Messgröße, um neben den drei Messgrößen geographische Länge, geographische Breite und Höhe auch noch den jeweiligen Uhrenfehler des Satellitenempfängers mit zu bestimmen.
Voraussetzung für diese Berechnungen ist:
- dass die Daten der Umlaufbahnen der Satelliten bekannt sind,
- dass die Daten von den Satelliten mit einem Zeitstempel versehen werden und synchronisiert ausgestrahlt werden.
Dafür ist jeder Satellit mit vier Atomuhren (zwei Cäsium-Uhren und zwei Rubidium-Uhren) ausgestattet, wobei jedoch zu jedem Zeitpunkt nur eine Uhr zur Erzeugung der Signale verwendet wird. Ein GPS-Signal enthält Informationen zum Status des Satelliten, seiner Position sowie der Abweichung seiner physikalischen Uhrzeit von der Systemuhrzeit. Neuerdings kann die Vorhersage der Satellitenpositionen durch das Bodensegment durch Messungen der Laufzeiten von Signalen zwischen den Satelliten unterstützt werden. Die hauptsächlichen Messungen zur Vorhersage der Satellitenpositionen einschließlich der Vorhersage der Abweichungen der Satellitenuhren von der Systemzeit der Satelliten selbst übernehmen jedoch die fünf Bodenstationen. Diese Messungen werden in der Hauptkontrollstation in einem Kalman-Filter dann zu den Vorhersagen der Satellitenbahnen und der Abweichungen der Satelitenuhren von der Systemzeit verarbeitet, die dann zu den Satelliten gesendet werden, die dann diese Information in der Navigationsnachricht an die Empfänger übermittelt.
Die Positionsbestimmung in Fahrzeugen wird durch Einbeziehen von Fahrtrichtung und -geschwindigkeit (Geschwindigkeitssensoren, Kompass und Beschleunigungssensoren) und Kartendaten wesentlich verbessert.
GPS-Satelliten senden auf den Frequenzen L1 = 1.575,42 MHz (Wellenlänge 19,03 cm) und L2 = 1.227,6 MHz (24,42 cm). Preiswerte (zivile) GPS-Empfänger nutzen den L1-C/A-Code. Bei besseren Empfängern wird auch die L1-Trägerphase zur Reduzierung des Messrauschens verwendet. Teure Empfänger für das Vermessungswesen nutzen zusätzlich die L2-Trägerphase. Militärische und einige staatliche Anwender in den USA können zusätzlich den verschlüsselten P-Code auf den Frequenzen L1 und L2 verwenden.
Die Signale werden durch pseudozufälliges Rauschen (PRN = pseudorandom noise) aufgespreizt und sind dadurch weniger anfällig gegenüber Interferenzen. Da jeder Satellit eine andere PRN-Sequenz verwendet, ist es möglich, dass mehrere Satelliten ihre Signale auf der gleichen Frequenz abstrahlen und der Empfänger diese Signale unterscheiden kann.
In den verwendeten Frequenzbereichen breitet sich die elektromagnetische Strahlung ähnlich wie sichtbares Licht aus. Für den besten Empfang der Signale ist eine direkte Sichtverbindung erforderlich.
Der GPS-Empfang wird durch das Wetter nur wenig beeinflusst – sofern man Ereignisse in der Ionosphäre nicht zum Wettergeschehen rechnet, ist jedoch in Gebäuden, Tunneln, Tiefgaragen, etc. nicht möglich. Auch zwischen hohen Gebäuden kann es durch mehrfach reflektierte Signale zu Ungenauigkeiten kommen.
Für die zentrale Kontrolle des GPS ist das Space Warfare Center des Air Force Space Command (AFSPC) der US Air Force auf der Schriever AFB, Colorado zuständig.
GPS-Satelliten-Typen
Durch sich ständig verbessernde Technologien werden die GPS-Satelliten fortwährend ausgetauscht. Den jeweiligen Generationen liegen folgende Bezeichnungen zugrunde:
| Block | Jahr | Anmerkung |
| I | 1978 | |
| II | 1989 | |
| IIA | 1990 | (advanced) |
| IIR | 1999 | (replenishment) |
| IIR-M | 2003 | (modernisation) |
| IIF | 2014 | (following-on) |
| III | 2012 |
Geschichte
Der erste GPS-Satellit wurde 1978 gestartet. Im Dezember 1993 wurde die anfängliche Funktionsbereitschaft (Initial Operational Capability) festgestellt. Zu diesem Zeitpunkt waren 24 Satelliten im Einsatz. Die volle Funktionsbereitschaft (Full Operational Capability) wurde im April 1995 bekanntgegeben.
Um nicht-autorisierte Nutzer (militärische Gegner) von einer genauen Positionsbestimmung auszuschließen, wurde die Genauigkeit für Nutzer, die nicht über einen Schlüssel verfügen, künstlich verschlechtert (Selective Availability = SA, mit einem Fehler von größer 100m).
Am 1. Mai 2000 wurde diese künstliche Ungenauigkeit abgeschaltet, so dass das System seitdem auch außerhalb des bisherigen exklusiven Anwendungsbereichs zur präzisen Positionsbestimmung genutzt werden kann. Dies führte unter anderem zum Aufschwung der Navigationssysteme in Fahrzeugen und im Außenbereich, da die Messgenauigkeit nun in mindestens 90 % der Messungen besser als 10 m ist.
Genauigkeit der Positionsbestimmung
Es gibt die folgenden zwei Dienstklassen:
- SPS (Standard Positioning Service) ist für jedermann verfügbar und ist auf eine Genauigkeit von 10 m (in 95% der Messungen) ausgelegt worden.
- PPS (Precise Positioning Service) ist der militärischen Nutzung vorbehalten und ist ursprünglich auf eine Genauigkeit von 22 m (in 95% der Messungen, die aktuelle Genauigkeit ist unbekannt) ausgelegt worden. Diese Signale werden verschlüsselt ausgestrahlt.
Eine Erhöhung der Genauigkeit (0,5 - 5 m) kann durch Einsatz von Differential GPS (DGPS) erreicht werden.
Mit der dritten Ausbaustufe soll die bisherige globale künstliche Verschlechterung lokal z. B. in Krisen- bzw. Kriegsgebieten einschaltbar sein.
Des Weiteren sind einige satellitengestützte Erweiterungssysteme (Satellite-Based Augmentation Systems, SBAS) zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit geplant, EGNOS in Europa und WAAS in den USA.
GPS nutzt eine eigene kontinuierliche Atomzeitskala, welche keine Schaltsekunden berücksichtigt. Seit Einführung von GPS im Jahr 1980 hat sich deshalb die Differenz zwischen der GPS-Zeit und der UTC bis Ende 2003 auf 13 Sekunden aufsummiert. Der aktuelle Wert dieser Differenz wird im Nutzdatensignal des Systems übertragen.
Es gibt die folgenden zwei Verfahren, um mittels GPS eine Position zu bestimmen:
- Code: Dieses Verfahren ermöglicht eine recht robuste Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit von <10 m. Alle preiswerten Empfänger nutzen dieses Verfahren. Mittels DGPS sind Genauigkeiten unter einem Meter möglich.
- Code+Trägerphase: Unter guten Empfangsbedingungen und mit präzisen Empfängern ist mit diesem Verfahren eine Genauigkeit im mm-Bereich möglich. Es ist nur im DGPS-Betrieb möglich.
DGPS
Differential Global Positioning System (DGPS) ist eine Bezeichnung für Verfahren, die mehrere GPS-Empfänger zur Erhöhung der Genauigkeit verwenden. Bei dem Verfahren gibt es einen Empfänger, dessen Position bestimmt werden soll (Rover) (deutsche Bezeichnung ist unbekannt) und mindestens einen weiteren Empfänger, dessen Position bekannt ist (GPS Basisstation). Eine Basistation kann diverse Informationen über die Ursachen ermitteln, warum die mittels GPS bestimmte Position fehlerhaft ist, da deren Position bekannt ist. Mit diesen Informationen (Korrekturdaten) von einer Basistation kann ein Rover seine Genauigkeit erhöhen. Die erreichbare Genauigkeit ist u.a. vom Abstand zwischen Rover und Basistation abhängig.
Methoden des DGPS
- Bei dem einfachsten Verfahren übermittet die Basistation ihren Positionsfehler an den Rover. Dieser korrigiert entsprechend seine Position. Dies funktioniert nur, wenn beide Empfänger die gleichen Satelliten auswerten (Dies ist nur über kurze Distanz und in gleicher Umgebung der Fall).
- Bei der Methode der Pseudorange-Korrektur berechnet die Basistation die Fehler der Strecken zu den Satelliten und übermittelt diese an den Rover. So ist auch eine Korrektur möglich, wenn von der Basistation und dem Rover unterschiedliche Satelliten empfangen werden. Es sind Genauigkeiten <1 m möglich.
- Bei den sehr genauen Phasenmessungen wird folgendes Verfahren angewendet:(?). Auf diese Weise ist eine Genauigkeit von ± 1 bis ± 10 mm pro km Abstand zur Basistation zu erreichen.
Die Übermittlung der Korrekturdaten von einer Basistation zum Rover kann mittels Funk erfolgen. Ein Rover ist dann sofort in der Lage, seine Genauigkeit zu erhöhen. Auch im nachhinein kann eine Korrektur erfolgen, wenn Rover und Basistation alle Daten zur Positionsbestimmung aufzeichnen (Postprocessing).
Die Korrekturdaten können von einem Anwender selbst erzeugt werden (mittels eines zweiten GPS-Empfängers) oder von div. Anbietern bezogen werden (Alf, Amds, Sapos, Ascos usw).
Störsender
Für das GPS-System existieren sog. GPS-Jammer (Jammer = engl. für Störsender).
Alternativen
- Transit
- Der Vorgänger des GPS von den USA. Sendefrequenz: 150-400 MHz - Entwickelt ab 1958; in Betrieb seit 1964; zivile Nutzung ab 1967; seit 2002 außer Betrieb
- GLONASS
- Das russische Pendant zum GPS.
- Euteltracs
- Europäisches Positionssystem für Fernverkehr (sehr ungenau). Es sendet mit einer Frequenz von 10-14 GHz. Ist seit 1991 in Betrieb.
- Galileo
- Die ESA wurde von der EU beauftragt von der Industrie ein europäisches System zur Satellitennavigation mit dem Namen Galileo entwickeln zu lassen. Die Entwicklungs- und Testphase wurde im Dezember 2004 in einem 4 Jahresvertrag an die Industrie vergeben. Der ursprüngliche Zeitplan sah wiefolgt aus: (bis 2005 Entwicklungs- und Testphase, Aufbau des Satellitennetzes ab 2006, Inbetriebnahme ab 2008 - Stand Juli 2004), da es für zivile Anwender bislang keine Alternativen zum US-amerikanischen GPS gibt und die zivile Nutzung davon abhängt, welche Genauigkeit das US-Militär bereitstellt.
- Es wird mindestens vier Dienste (OS, CS, SoL, PRS) anbieten. Die zivile und kostenlose Positionsbestimmung (OS) wird eine Genauigkeit von 5-8 m bereitstellen. Beim SoL Dienst wird zusätzlich noch Integrität, also die rechtzeitige Warnung des Nutzers, wenn der Positionierungsfehler größer als eine vorgegeben Schranke (12 m horizontal, 20 m vertikal) ist, bereitgestellt. Der PRS Dienst wird die Bedürfnisse staatlicher Organisationen befriedigen. Im CS Dienst können noch zusätzlich Informationen mit geringer Datenrate an Abonenten übertragen werden.
- MTSAS
- (Multifunction Transport Satellite System) ist die Entwicklung Japans. Es sendet mit einer Frequenz von 1,2 GHz. - noch in der Experimentierphase (Stand 2003)
- Beidou
- in China (Satellite Positioning System) Frequenz: 1,4 GHz - Seit 2004 in Betrieb, allerdings beschränkt sich die Nutzung auf den asiatischen Bereich.
Siehe auch: Geocaching
Literatur
- Jörg Roth: Mobile Computing, dpunkt, 2002, ISBN 3898641651
Weblinks
- weitere Weblinks
- Suche nach Global Positioning System Infos mit: Yahoo