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Gliederung
1. Begriffserläuterung
2. Die Geschichte der Positionsbestimmung
3. Die Entstehung von GPS
4. Der Aufbau des Systems
4.1. Das Space- Segment
Das Ground- Segment
Das User- Segment
5. Die Funktionsweise von GPS
5.1. Technischer Hintergrund
5.1.1.Atomuhren
6. Probleme in der Praxis
6.1. Mehrfachreflexion/ nicht kalkulierbare Faktoren
6.2. Störsignale/Erhöhung der Genauigkeit mittels DGPS
7. GPS in der Praxis
7.1. Militärische Anwendung
7.2. Vermessungswesen
7.3. Straßenverkehr
7.4. Zeitmessung
8. andere Satellitennavigationssysteme
8.1. Glonass, ein Produkt des kalten Krieges
8.2. Galileo, die Antwort aus Europa
9. Quellenangabe
Begriffserläuterung
(„Was ist GPS eigentlich?“)
nach Microsoft ENCARTA© :
spezielles Satellitenfunknavigationssystem , welches aus 24 Satelliten und Kontrollstationen auf Erde besteht
o Aufgabe: soll zu jeder Zeit auf jedem Punkt der Welt und bei jedem Wetter Angaben über eine genaue dreidimensionale Position (Länge, Breite, Höhe) sowie Geschwindigkeit und Zeit machen
kurz: Bestimmung der Position eines Objektes
Überblick über die Geschichte der Positionsbestimmung
(„Was war vor GPS?“)
erstes Mittel : Position von Sternen und Planeten zur Orientierung
o Sonnenstand unter Berücksichtigung von Tages- und Jahreszeit
Schluss auf Himmelsrichtung
erster Kompass um 1188 n. Chr. erwähnt
o Prinzip: ferromagnetische Stoffe (Kompassnadel) richtet sich im Magnetfeld
(Magnetfeld der Erde) in Richtung des magnetischen Nordpols aus (@ ungefähr geographischer Nordpol)
im 17. Jh. und 18. Jh. Entwicklung Oktant und Sextant
Neuzeit: durch Elektronik wurde Satellitennavigation ermöglicht (wetterunabhängig und viel genauer)
Entstehung von GPS
ab 1973 vom amerikanischen Verteidigungsministerium entwickelt
amerikanische Verteidigungsministerium fasste getrennten GPS-Entwicklungsarbeiten der US-Navy und Airforce zu gemeinsamen System zusammen.
Ziel: satellitengestützten Systems, das Navigation eines beliebigen bewegten oder ruhenden Objekts ermöglicht, sollte bei jedem Wetter, zu jeder beliebigen Zeit und an jedem beliebigen Ort funktionieren
Warum sollte man so ein System überhaupt entwickeln?
(Preis ca. 10 Mrd. $, von USA entwickelt)- Kalter Krieg, militärische Ziele (Steuerung von Raketen aus sicherer Distanz)
Aufbau des Systems
Ground- Segment und
User-Segment
4.1 Das Space- Segment (Raumsegment)
Space- Segment: Gesamtheit der verfügbaren Satelliten
März 1994 wurde System mit Start des 24. Satelliten für voll funktionsfähig erklärt
sind ausgestattet mit großen Sonnensegeln zur Energiegewinnung und Atomuhren (die exakte Zeit ist ein Schlüssel des Systems)
Lebensdauer eines Satelliten bei ca. 7,5 Jahren, aufgrund des begrenzten Treibstoffes, der bei der Justierung der Satteliten benötigt wird
Ground- Segment (Kontrollsegment)
verteilt über Erde: fünf Kontrollstationen, deren Positionen mit
höchster Genauigkeit bekannt sind
Drei von ihnen sind zum Übermitteln von Korrekturdaten gebaut um die Satelliten korrekt auszurichten (Ascension Island im Südatlantik, Diego Garcia im
Indischen Ozean und Kwajalein im Nordpazifik)
anderen beiden (Hawaii und Colorado Springs) lediglich Beobachtungsstation, wobei letztere Zentrale
liegen äquatornah
mehr oder weniger gleich großem Abstand zueinander (um lückenlosen Kontakt zu Satelliten)
Aufgaben des Kontroll-Segments
Kontrolle des Satellitensystems
Vorausberechnung der Satellitenbahndaten und der Satellitenzeit
User-Segment (Nutzersegment / Empfänger)
User-Segment: Gesamtheit aller Empfänger
Funktion GPS-Empfänger: Bestimmung der eigenen Position Entfernungen zu den einzelnen Satelliten
besitzt Antenne, entweder im gleichen Gehäuse oder separat mitgeführt wird
mobilen Anlagen haben schon heute Kreditkartengröße (Laptopsteckkarte) und Preise von ca. 200€ bis zu 3000€
Funktionsweise von GPS
Verständnisbeispiel
schon aus Unterricht bekannt
bei Gewitter: Distanz zu den Blitzen kann berechnet werden: s= v t (an die Tafel!)
s: Distanz bis zum Blitz [m]
v: Schallgeschwindigkeit ca. 330 [m/s]
t: Zeit von der Wahrnehmung des Blitzes bis zur Wahrnehmung des Donners [s]
Beispiel:
Donner nach 5s gehört: t=5
o s=330 m/s 5s
s=1650m Distanz zu Blitz 1650m
T Prinzip der Laufzeitmessung auch Anwendung bei GPS
Unterschiede nur:
o nicht Distanz wird berechnet sondern dreidimensionale Position
o statt Schallgeschwindigkeit- Lichtgeschwindigkeit ,da elektromagnetische Wellen bei GPS gesendet werden (s= t
Technischer Hintergrund
um die Zeit t zu messen: jeder Satelliten bis zu 4 Atomuhren
zur Zeit die präzisesten Zeitgeber (max. 1s Abweichung auf 1 Million Jahre)
Atomuhren
Betrieb Atomuhr beruht auf der Messung der Energiedifferenz, die Atom beim Übergang von einem niedrigeren auf ein höheres Energieniveau aufnimmt
o Schwingungen nicht durch äußere Kräfte beeinflusst
o deswegen so genau und verlaufen immer in der gleichen Zeit.
Anmalen des Koordinatensystems
nun GPS Satelliten senden ihre genaue Position und diese exakte Uhrzeit mit 1575 Mhz (zivile Anwendungen) und 1227 Mhz (militärische Anwendungen) zur Erde (Bereich der „Dezimeterwellen“)
wenn man genaue Uhr hat, dann anhand Laufzeit der elektromagnetischen Wellen von Satellit zu Empfänger Berechnung von Distanz s zu Satellit möglich
Zur Abbildung:
Bestimmung zuerst in der Ebene betrachtet
GPS-Empfänger bekommt Zeit und Lage von drei Satelliten
kann Distanz zu jedem Sendesatelliten bestimmen, geometrisch gesuchte Position im Schnittpunkt der drei Kreise
Problem aber in Praxis:
gerade: Bedingungen ideal, d.h. die Uhr des Empfängers muss genau so präzise, wie Sendesatellitenuhr (beides Atomuhren)
Beispiel:
bei Zeitmessfehler von einer Millionstelsekunde
o elektromagnetische Wellen in einer Sekunde (Lichtgeschwindigkeit)
10 hoch 8 m
o Verhältnisgleichung: 3 10 hoch 8 m / 1s= x / 1 10 hoch –6s
o Ergebnis: x= 300m (!) Verfälschung
Aber Atomuhr 100.000€ und 30kg
ausgehen von Laufzeitfehler, aber da alle drei Signale gleiche Verzögerung
wahre Position in Mittelpunkt neuer Kreis, der die drei verfälschten Distanzkreise berührt, immer relativ kleine Abweichungen
Probleme in Praxis
Mehrfachreflexion/ nicht kalkulierbare Faktoren
Verfälschung GPS-Messungen auch von äußeren Einflüssen:
Effekt der Mehrfachreflexion in der Nähe von elektrischen Anlagen oder sonstiger Sender
Mehrwegausbreitung kann Ergebnis um mehrere Zentimeter verfälschen
einfache Lösung: Wahl eines geeigneten Antennenstandortes:
o nicht unter dicht belaubten Bäumen
o in Städten
o unter einer überhängenden Felswand wird
Grund: elektromagnetische Wellen von elektrisch leitenden Flächen reflektiert
Erschwerung des gleichzeitigen Empfang von vier Satelliten, Positionsangabe wird verfälscht
Auch Verursachung von Messfehlern durch nicht kalkulierbare Faktoren in der Ionosphäre oder in der Troposphäre (Veränderung der Dichte der Gasatome, Brechungswinkel wird verändert)
Störsignale/Erhöhung der Genauigkeit mittels
Differential-GPS (DGPS)
Genauigkeit auf ca. Meter während 95% des Tages gewährleistet
für permanente Genauigkeit DGPS erfunden
einfaches Prinzip:
Basis: bekannter genau vermessenen Punkt (GPS-Referenzstation)
diese Station bestimmt Position mittels 4 Satelliten
nun Berechnung der Abweichung vom wirklichen Standort (Stärke des Störsignals)
Abweichung wird nun von Referenzstation an Empfänger gesendet
können dann wahre Position berechnen
Genauigkeit von einigen Millimetern ermöglicht
GPS in der Praxis
erstmals 1991 im Golfkrieg eingesetzt:
amerikanische Soldaten erhielten leichte zivile GPS- Empfänger
Orientierung in der kuwaitischen und irakischen Wüste
o künstliche Verschlechterung sogar abgeschaltet, Verschiebung sogar einzelne Satelliten optimale Empfangsqualität in Golfregion
allgemein GPS dort wo Fahrzeuge, Flugzeuge und ferngesteuerte Raketen in unbekannten Gelände bewegen
auch Markierungszwecke, z.B. beim Widerfinden von Minenfeldern und vergrabenen Depots (Position bekannt, aber nicht sichtbar)
Vermessungswesen
Geometer vermehrt DGPS
im Gegensatz zur optischen Vermessung sicherere und schnellere Vermessungen mit grenzenloser Anwendung: Vermessung von Grundstücken, Strassen und sogar Seetiefen mit Hilfe von GPS
Straßenverkehr
in Fahrzeug: Computer mit Bildschirm- je nachdem wo, richtige Karte mit momentanen Position
Bestimmung schnellsten Weg, Computer: Berechnung Fahrzeit und Kraftstoffverbrauch.
Ziel in Zukunft: im PKW immer GPS-Empfänger ,der Position Fahrzeug ständig aussenden
nach Diebstahl wieder finden
genaue Zeitmessungen notwendig: Synchronisation der Steuerung von globalen Kommunikationsanlagen zu ermöglichen
Andere Satellitennavigationssysteme
Glonass, ein Produkt des kalte Krieg
so wie Amerikaner GPS, Sowjets auch eigenes militärisches Navigationssystem- das GLONASS
basiert auf gleicher Technik wie GPS System (Laufzeitenmessung von Satellitenfunksignalen), aber nicht direkt kompatibel- GPS Empfänger kann keine GLONASS Satelliten nutzen und umgekehrt
nach Zerfall der Sowjetunion: Anschein des Zerfalls, da ständige Wartung solch eines komplexen Systems viel Geld benötigt
zeitweise System sehr schlechten Zustand und kaum benutzbar
in letzter Zeit Verbesserung, aber nach Aussagen eines deutschen Wissenschaftler: „sterben die GLONASS Satelliten schneller, als man neue raufbringen kann“
Vorteile gegenüber GPS: höhere Genauigkeit und keine künstliche Genauigkeitsverschlechterung wie bei der GPS
Galileo, die Antwort aus Europa
Projekt EU- Staaten: bis 2008 30 eigene Satelliten, aber Kosten 3,2 Mrd. €
Vorteile: nicht unbedingt militärisch ausgerichtet- ständig gleiche Qualität
(5 bis 10 Meter genau), keine Abhängigkeit von USA im Kriegsfall (militärische Nutzung extra nicht ausgeschlossen) und
EU –Verkehrkommissarin Loyola de Palacio
„freimachen von der High-Tech-Dominanz der Amerikaner“
Schaffung von 100000 Arbeitsplätzen in Europa
aber erster Rückschlag: Autoindustrie Ablehnung des Systems, da GPS reicht vollkommen aus, keinen Zusatznutzen
fraglich, ob 3.2 Mrd. € ausreichen, da EU- Projekte permanent teurer werden als geplant
Quellenangabe
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