Referat Globales Positionierungssystem GPS - Zielsetzung von GPS

GPS

Globales Positionierungssystem

Inhalt:

1.) Zielsetzung von GPS

2.) Aufbau:

2.1.) Satelliten

2.2.) Kontrolleinheiten

3.) Funktionsweise

4.) Fehler bei Messungen

5.) Selective Availability

6.) Empfänger

6.1.1.) GPS im Auto

6.1.2.) TMC

7.) Anwendungsbeispiele

8.) Quellen

1. Zielsetzung von GPS

Im Jahr 1973 erging vom U.S. Department of

Defense, dem amerikanischen

Verteidigungsministerium, an das Joint Programm Office der Los Angeles Air Force Base der Auftrag, ein satellitengestütztes System zu entwickeln, das die Navigation (d.h. die Bestimmung von

Position und Geschwindigkeit) eines beliebigen bewegten oder ruhenden Objekts (insbesondere der militärischen Streitkräfte) ermöglicht.  Darüber hinaus sollte auch noch eine genaue

Zeitinformation zur Verfügung gestellt werden.  Die Resultate sollten in Echtzeit, also ohne

merkbaren Zeitverzug unmittelbar nach den

Messungen, verfügbar sein.  Weiters wurde an das System die Forderung gestellt, bei jedem Wetter, zu jeder Zeit und an jedem beliebigen Ort auf oder nahe der Erde (also auf dem Land, auf dem Wasser und in der Luft) zu funktionieren.

2.1.) Satelliten: Es gibt 24 Satelliten, von denen 21 zur Navigation dienen, und 3 Reservesatelliten. Jeder dieser Satelliten hat eine ungefähre Ausdehnung von 5 Metern und wiegt ca. 900 kg. Die Satelliten kreisen in 6 Bahnen um die Erde. Die Ausrichtungen der Umlaufbahnen stellen sicher, dass der Anwender zu jeder Zeit zwischen 5 und 8 Satelliten von jedem Punkt der Erde aus 'sehen' kann. Die Sendeleistung jedes Satelliten ist kleiner oder gleich 50 Watt. Jeder der Satelliten sendet zwei Signale aus. Hierzu ist jeder Satellit mit einer Uhr (Oszillator), einem Mikroprozessor, einem Sender und einer Antenne ausgestattet.  Zusätzlich befinden sich mehrere Reserveuhren an Bord der Satelliten.  Die Energieversorgung erfolgt über zwei jeweils ca. 7 m2 große Sonnenkollektoren. Der Oszillator im Satelliten generiert Frequenzen, die Link 1 (L1 = 1575,42 MHz) und Link 2 (L2 = 1227,6 MHz) genannt werden. Diesen Frequenzen entsprechen Wellenlängen von etwa 19 cm bzw. 24 cm.  Die Verwendung von zwei Trägerwellen ermöglicht die Elimination bestimmter Fehler- einflüsse. Auf diesen Trägerwellen

sind zwei Codes, der C/A-Code (Coarse/Acquisition-Code) und der P-Code (Precision-Code), aufmoduliert.  Die Codes stellen Zeitmarken dar und erlauben die Bestimmung des Zeitpunkts der Signalaussendung.  Der C/A-Code hat eine Wellenlänge von ungefähr 300m und ist nur auf die L1-Trägerwelle aufmoduliert.  Der P-Code hingegen hat eine Wellenlänge von etwa 30m und ist sowohl auf die L1-Trägerwelle als auch auf die L2-Trägerwelle aufmoduliert.  Schließlich wird auf die beiden Trägerwellen Ll und L2 die sogenannte Navigationsnachricht aufmoduliert.  Aus dieser gewinnt der Benutzer unter anderem die Bahndaten der Satelliten. (Die höchste Genauigkeit erreicht ein GPS-Empfänger übrigens, wenn er 4 Satelliten im Winkel von je 90° empfängt - dies ist jedoch der Idealfall).

2.2.) Kontroll-Einheiten: Diese sind Bahnverfolgungs- bzw. Bahnüberwachungs-Stationen, die auf der ganzen Erde verteilt sind. Die Haupt-Steuer-Station befindet sich auf der Falcon AFB in Colorado Springs. Neben dieser Haupt-Steuer-Station gibt es auch noch einige kleinere Überwachungsstationen. Jede dieser Überwachungsstationen verfolgt alle von ihr aus 'sichtbaren' GPS-Satelliten und überprüft die Signale, die die Satelliten aussenden.

3.) Funktionsweise:

Der GPS-Empfänger misst die Zeit, die das Signal für den Weg vom Satelliten zum Empfänger braucht. Um diese Zeit zu bestimmen, benötigt man eine sehr genaue Zeitmesseinrichtung. Der Empfänger muss zusätzlich zur Entfernung auch die Position der einzelnen Satelliten kennen.

Bsp: Wenn wir die Entfernung zu einem Satelliten, z.B.18.000 km, messen, wissen wir, dass wir uns auf einer Kugeloberfläche befinden, die einen Radius von 18.000 km (gemessen vom Satelliten) hat. Wissen wir jetzt die Entfernung zu einem zweiten Satelliten, z.B. 19.000 km, ergibt sich eine zweite Kugeloberfläche. Schneiden wir diese Kugeloberflächen miteinander, wissen wir, dass wir uns auf deren Schnittkreis befinden. Nach Messung zu einem dritten Satelliten bleiben nur noch zwei Punkte eines möglichen Aufenthalts über. Um den richtigen Aufenthaltsort zu bekommen, benötigt man eine vierte Messung.

Messung der Entfernung:

Das Problem der Zeitmessung ist, dass die Zeiten sehr kurz sind. Wenn sich der Satellit z.B. direkt über einem befindet, braucht das Signal ca. 0,06 Sekunden vom Satelliten zum Empfänger. Um die Zeit, die das Signal vom Sender zum Empfänger braucht, zu messen, lässt man beide zur gleichen Zeit ein Signal senden. Das vom Satelliten ausgesandte Signal kommt mit einer bestimmten Verspätung beim Empfänger an. Um die Entfernung zum Satelliten zu erhalten, muss man nur noch die Zeit, die das vom Satelliten ausgesandte Signal verspätet beim Empfänger ankommt, mit der Lichtgeschwindigkeit multiplizieren.

4.) Fehler bei den Messungen:

• Einer der Fehler bei der Entfernungsmessung ist der, dass wir mit der Lichtgeschwindigkeit des Vakuums rechnen, sich jedoch zwischen dem Satelliten und dem Empfänger nicht nur Vakuum befindet, und die Lichtgeschwindigkeit in jeder der verschiedenen Schichten der Atmosphäre etwas anders ist. Dieser Fehler wird größtenteils durch das Zwei-Frequenz-Verfahren, bei dem zwei Signale mit verschiedenen Frequenzen verwendet werden, kompensiert.
• Andere Fehler können auftreten, wenn das Signal ein paar Mal von diversen Hindernissen abprallt, bevor es den Empfänger erreicht. Diese Fehler werden von teureren Empfängern ausgeglichen. 
• Eine andere Möglichkeit der Ungenauigkeit ergibt sich bei den Atomuhren, die zwar sehr genau, jedoch nicht perfekt sind, und durch die Positionen der Satelliten, die auch nicht immer hundertprozentig genau sind.
• Außerdem gibt es die sogenannte GDOP (Geometric Dilution of Position), die Geometrische Abschwächung der Genauigkeit. Diese entsteht dadurch, dass ein Empfänger die nächstgelegenen Satelliten zur Positionsbestimmung verwendet. Das Problem dabei ist, dass sich die Schnittkreise unter sehr flachen Winkeln schneiden, was zu einer Grau-Zone bzw. zu einem zu großen Bereich der möglichen Position führen kann. Dieser Fehler wird von guten Empfängern kompensiert, da diese etwas weiter entfernte Satelliten zur Positionsbestimmung verwenden
• Unebenheiten des Reliefs wirken sich ebenso auf eine genaue Messung aus, da hier die Erdoberfläche nicht mehr eine Ellipsoidoberfläche repräsentiert und so Rechenungenauigkeiten

.. auftreten.

• Da die Daten sehr hochfrequent (1.575,42 und 1.227,60 MHz) gesendet werden, können die Signale weder Stein, Wasser, noch Metall durchdringen. Beim Empfang ist daher darauf zu achten, dass die GPS-Antenne freien Blick zum Himmel hat. Auch das Blätterdach eines dichten Waldes, der Körper, das Dach oder Aufbauten auf einem Fahrzeug oder Boot können den Empfang beeinträchtigen.

5.) Selective Availability (SA) = eingeschränkte Verfügbarkeit

Unter SA versteht man die vom amerikanischen Verteidigungsministerium durchgeführte Reduzierung der erreichbaren Genauigkeit in der Echtzeit Navigation.  Diese Einschränkung der erreichbaren Genauigkeit wird einerseits durch eine Manipulation der Satellitenuhr und andererseits durch eine geringere Genauigkeit der Broadcast Ephemeriden erzielt.  Offiziell wurde SA mit 25.  März 1990 für alle GPS-Satelliten eingeschaltet. Das Maß der Genauigkeitsreduktion kann vom Kontrollsegment gesteuert werden.  Ohne SA wird mit dem C/A-Code eine Genauigkeit von etwa 15-30m für die Positionsbestimmung erreicht.  Mit dem derzeit wirksamen SA wird mit einer Zuverlässigkeit von 95% eine Lagegenauigkeit von 100m und eine Höhengenauigkeit von 140 m garantiert. Es ist nur von autorisierten Anwendern, wie zum Beispiel amerikanischen Militärs, möglich, SA durch eine Decodierung von verschlüsselten Daten zu umgehen. Beobachten kann man diesen Effekt, wenn man den GPS-Empfänger über einige Minuten lang an der selben Position belässt. Obwohl dieser fest steht, ermittelt er bei jeder Messung (auch bei den einfachsten Empfängern wird alle 1-3 Sekunden eine neue Position errechnet) einen scheinbar anderen Standpunkt. Präsident Clinton hatte sich dazu entschieden, am 01.05.2000 die SA abzuschalten! Damit wurde die künstliche Verschlechterung der Positionsgenauigkeit aufgehoben!

6.) Empfänger

Um die von den GPS-Satelliten gesendeten Signale für Messungen benutzen zu können, muss man eine entsprechende Empfangsanlage, den GPS-Empfänger, verwenden.  Ein GPS-Empfänger besteht aus mehreren Komponenten.  Generalisierend kann man die Antenne mit dem Vorverstärker, die Hochfrequenzeinheit, den Mikroprozessor, die Kontrolleinheit, den Datenspeicher und die Stromversorgung unterscheiden. Die Antenne empfängt die Signale von allen sichtbaren Satelliten. Die Signale werden zuerst an den Vorverstärker und dann an die Hochfrequenzeinheit als die eigentliche Empfangseinheit geleitet.  Dort werden die Signale identifiziert und weiterverarbeitet.  Bei den meisten Empfängern werden die Signale jedes Satelliten in einen eigenen Kanal gelegt.  Gesteuert wird die gesamte Empfangseinheit mit einem Mikroprozessor.  Dieser regelt auch die Datenerfassung und führt die Echtzeit-Navigationsberechnung durch. Über die Kontrolleinheit, die im wesentlichen aus einer Tastatur und einem Display besteht, kann der Benutzer interaktiv mit dem Empfänger kommunizieren.  Das heißt, man kann einerseits verschiedene Kommandos eingeben und andererseits auch verschiedene Informationen (wie z.B. die Daten der sichtbaren Satelliten) erhalten.  Im Datenspeicher (z.B. Mikrochip) werden die Messungen und auch die Navigationsnachricht gespeichert.  Die Stromversorgung kann entweder über einen Netzanschluss oder über eine Batterie erfolgen.

Was kann ein GPS-Empfänger noch?

• Wegaufzeichnung (z.B. beim Wandern, um im unbekannten Gelände den Rückweg wiederzufinden, oder in der fremden Stadt den Weg zum geparkten KFZ),
• Zielnavigation (Anzeige der Richtung und Entfernung zu einem beliebigen Punkt),
• Kompass
• Geschwindigkeitsmessung, (nur solange man sich bewegt),
• Höhenmessung,
• Routenplanung (vor der Tour wird eine Route durch verschiedene Koordinaten definiert, das GPS zeigt dann den Weg zum jeweils nächsten Wegpunkt).
• Verfügt das GPS über eine serielle Schnittstelle, so können die Daten einem PC oder PDA zur Verfügung gestellt werden und dort ausgewertet werden. So kann man sich z.B. einen preiswerten GPS-Empfänger ohne digitale Karte zulegen und zur Anzeige der eigenen Position auf einer Landkarte eine passende Software für den Palm Pilot oder PC, Laptop einsetzen.

6.1.1.) GPS im Auto

Grundsätzlich teilen sich die Geräte in zwei Leistungs- und Preisklassen. In der 20.000-Schilling-Liga befinden sich die Navigationsgeräte, die mit dem Radio kombiniert sind und ohne separatem Bildschirm auskommen. Als optische Hilfe zusätzlich zu den gesprochenen Anweisungen zeigen kleine Pfeile auf dem Radiodisplay, in welche Richtung man abbiegen muss. Geräte über 20.000 Schillinge haben einen separatem Bildschirm. Dort dienen nicht bloß Pfeile zur Orientierung, sondern man kann sich die Fahrtstrecke auch auf einer farbigen Straßenkarte anschauen. Zudem zeigt die Karte auf Wunsch, wo die nächste Tankstelle oder das nächste Krankenhaus liegt. Weil der bunte Bildschirm hauptsächlich zusätzliche Informationen gibt und die Sprach-Anweisungen im Grunde reichen, um das Ziel zuverlässig zu erreichen, kann der Blick während der Fahrt auf der Straße bleiben. Ohne CD, auf der das Kartenmaterial gespeichert ist, weiß auch das teuerste Navigationsgerät nicht, wo es langgeht. Für Europa gibt es zwei Firmen, die solche digitalen Straßenkarten herstellen: Navtech und Teleatlas. Navtech hat in Österreich 59 Städte bis auf Hausnummern-Genauigkeit erfasst. Im Gegensatz dazu findet die Software von Teleatlas nur Hausnummern in Wien, Linz und demnächst auch in Graz. Jedoch sind die Karten- CDs speziell auf jeden Geräte-Hersteller zugeschnitten.

Außerdem ist das Gerät mit der Tachowelle und einem Sensor verbunden. Dadurch erkennt der Rechner, wie schnell und wohin sich der Wagen gerade bewegt. So weiß die Autonavigation auch an Orten ohne GPS-Empfang - z. B. im Tunnel - den genauen Standort. Die Eingabe des Zielpunktes erfolgt über eine meist umständliche Eingabe via der (sehr kleinen) 'Tastatur' oder über Spracherkennung.

6.1.2.) TMC (Traffic Message Channel)

Schon in naher Zukunft werden die Navigationsgeräte selbst Baustellen und Staus berücksichtigen können. In Deutschland und einigen anderen europäischen Ländern gibt es bereits TMC. Hinter dem Kürzel TMC (Traffic Message Channel) versteckt sich eine Art kodierter Verkehrsfunk, der über UKW-Radio oder GSM-Frequenzen gesendet wird. Das Navigationssystem entschlüsselt diesen Code und erfährt so, wo und warum es staut. Mit diesen Infos berechnet der Rechner rechtzeitig eine Ausweich-Route. Zwar bietet der Markt schon genügend TMC- taugliche Geräte, doch ist man in Österreich noch nicht so weit, diesen Verkehrsfunk auch senden zu können. Das Verkehrsministerium, die Asfinag und ORF/Ö3 arbeiten gemeinsam daran, dass TMC innerhalb der nächsten zwei Jahre auch fürs heimische Autobahn- und Bundesstraßennetz funktioniert.

7.) Anwenungsbeispiele:

-)GPS-GSM- ALARM         Ein Notsystem z.B. für Taxis

Auf Knopfdruck im Fahrzeug wird automatisch und unhörbar eine GSM-Verbindung zur Zentrale aufgebaut. Anschließend erfolgt eine laufende Übertragung von GPS-Standortdaten bis ein Abbruch von der auswertenden Seite veranlasst wird.
In der Zentrale wird so eine zustandgekommene Verbindung durch einen akustischen Alarm signalisiert. Informationen wie Fahrzeugnummer, Uhrzeit, Bewegungsgeschwindigkeit und Kurs werden auf einem LCD-Display angezeigt. Selbstverständlich kann zur Datenabfrage auch jederzeit eine Verbindung von der Zentrale in ein bestimmtes Fahrzeug hergestellt werden.

-)Telematik für PKW
Auf Knopfdruck kann z.B. aus Fahrzeugen eine Verbindung zur Pannen- und Nothilfszentrale hergestellt werden. Dabei gibt es mehrere Dringlichkeitsstufen ( Unfall- oder Pannenhilfe sowie Verkehrs-Infoservice ). Zur Übertragung wird ein GSM-Netz benutzt. Mithilfe eines zugehörenden GPS-Empfängers können ggf. auch Standortdaten automatisch übertragen werden. Weiters wird auch bei einem Unfall über einen Crashsensor so Hilfe herbeigeholt.

-) SMS Alarm          
Alarmauslösung durch GPS-Bewegungserkennung: Durch einen Alarmkontakt wird bei einem Diebstahl oder Einbruch über ein GPS- GSM System z.B. dem Besitzer eine Meldung gemacht, sodass dieser dann über den aktuellen Stand seines Fahrzeuges informiert wird. Das realisierte System besteht auf der Mobilseite aus einem GPS-Empfänger, einem Interface und einem GSM-Data-Modem. Das Interface bewirkt nach entsprechendem Befehl die Anwahl eines anderen GSM-Teilnehmers.

8.) Quellen: GPS Systeme Anwendungen Fa. Naveware

B. Hofmann-Wellenhof - GPS in der Praxis

Torge Wolfgang. 2nd Edition - Gruyter

Autoturing Zeitschrift

Internet Stand: Oktober 2000, ausgearbeitet von Thomas Greiner

Wo lassen sich GPS-Signale empfangen und was ist zu beachten?

Die GPS-Satellitensignale sind 24 h täglich weltweit zu empfangen. Da die Daten sehr hochfrequent (1.575,42 und 1.227,60 MHz) gesendet werden, können die Signale weder Stein, Wasser, noch Metall durchdringen. Beim Empfang ist daher darauf zu achten, daß die GPS-Antenne freien Blick zum Himmel hat. Auch das Blätterdach eines dichten Waldes, Ihr Körper, das Dach oder Aufbauten auf Ihrem Fahrzeug oder Boot können den Empfang beeinträchtigen.
Ein Handempfänger sollte daher beim Einsatz im Fahrzeug oder Boot mit einer Außenantenne versehen werden.

Unter schwierigen Empfangsbedingungen (z.B. dichter Wald, Straßenschlucht) sollte ein Garmin 12-Kanal Empfänger (PhaseTrack12-Technologie) verwendet werden. Diese Empfänger zeichnen sich durch außerordentlich hohe Empfangsleistung und Reaktionsschnelligkeit

Benutzer-Einheit: Eine Benutzer-Einheit besteht aus einem GPS-Empfänger und Zubehör (Antennen, Software,). Ein GPS-Empfänger nimmt das digitale GPS-Signal auf, dekodiert es und rechnet es in eine 3D-Position, Geschwindigkeit und Zeit um. Jeder Empfänger besitzt eine genaue Uhr, die zur Positionsbestimmung notwendig ist. Der größte Fehler bei der Bestimmung der Position ist eine vom U.S. Department of Defense absichtlich geschaffene Verschlechterung der Genauigkeit, die es feindlichen und terroristischen Organisationen nicht möglich macht, die militärische Genauigkeit zu nutzen.

Jetzt links abbiegen!' Unmißverständlich und streng gibt die Dame die Richtung vor. Schließlich gilt es, den schnellsten Weg quer durch Wien zu finden, ohne sich dabei zu verfahren. Die ortskundige Dame ist in diesem Fall aber nicht aus Fleisch und Blut. Es handelt sich bei 'ihr' vielmehr um ein Navigationsgerät, das den Autofahrer über Lautsprecher durch den städtischen Straßen-Dschungel lotst.

Leider sind die Karten-CDs speziell auf jeden Geräte-Hersteller zugeschnitten. Das heißt, man kann nicht jede x-beliebige CD für jedes x-beliebige Navigationssystem kaufen. So funktioniert ein Blaupunkt-Gerät nur mit Teleatlas-CDs, während Alpine die Navtech-Daten braucht. Und auch wenn die Geräte von VDO Dayton sowohl mit Teleatlas als auch mit Navtech arbeiten, so brauchen sie doch wieder eigens fürs Haus gemachte Karten-Software. Bevor man also eine neue CD kauft, sollte man sich überzeugen, ob diese auch auf dem eigenen Gerät läuft.
Oft kann man die passende Software im Fachhandel auch mieten. Wer nur einmal im Jahr nach Süditalien auf Urlaub fährt, braucht sich somit die Karten-CD dieser Region nicht extra zu kaufen.
Apropos Urlaub: Sowohl Teleatlas als auch Navtech haben eigene CDs im Programm, die neben den reinen Kartendaten zusätzlich noch einen Reiseführer mit Hoteladressen und Restaurant-Tipps gespeichert haben.

Folien:

 G P S

1.) Zielsetzung von GPS

2.) Aufbau: 2.1.) Satelliten

2.2.) Kontrolleinheiten

3.) Funktionsweise

4.) Fehler bei Messungen

5.) Selective Availability

6.) Empfänger 6.1.1.) GPS im Auto

6.1.2.) TMC

 7.) Anwendungsbeispiele