Die Entwicklung der GPS-Satelliten und ihre heutige Nutzung
Die Entwicklung der GPS-Satelliten und ihre heutige Nutzung
Vor dreiundsechzig Jahren, am Freitag, dem 4. Oktober 1957, begann das Raumfahrtzeitalter – und fast jeder, der heute lebt, ist ein Nachkomme davon. Die Sowjetunion schickte eine glänzende, metallene, strandballgroße Kugel in die Umlaufbahn. Sputnik piepte 21 Tage lang jede Sekunde, bevor er verstummte. Seine Pieptöne waren auf der ganzen Welt zu hören. Mithilfe des Dopplereffekts konnte man feststellen, ob sich der winzige Satellit auf einen zu oder von einem weg bewegte. Die Wissenschaftler konnten die genaue Position des Satelliten bestimmen, indem sie ihn in einem einzigen Vorbeiflug beobachteten, und stellten fest, dass dies auch umgekehrt möglich war. Der unbekannte Standort eines irdischen Beobachters konnte von der bekannten Umlaufbahn eines einzelnen Satelliten abgeleitet werden. Aus dieser Idee entwickelte sich das erste Satellitennavigationssystem.
Im Jahr 1964 wurde das Navy Navigation Satellite System (NNSS) in Betrieb genommen. Das streng geheime System mit der Bezeichnung Transit wurde zur Unterstützung der U-Boot-Flotte mit ballistischen Raketen vom Typ Polaris gebaut. Es arbeitete mit einer kleinen Konstellation von weniger als fünf Satelliten in einer polaren Umlaufbahn. Bei so wenigen Satelliten in der Umlaufbahn konnte es mehr als eine Stunde dauern, um eine Positionsbestimmung vorzunehmen. Mit speziell verschlüsselten Signalen konnte eine Genauigkeit von zwanzig Metern erreicht werden, aber diese waren auf U-Boote beschränkt. Alle anderen Nutzer von Transit konnten nur eine Genauigkeit von 200 Metern erreichen.
Die Genauigkeit war eine Herausforderung. Das Problem wurde auf dieselbe Weise gelöst wie 300 Jahre zuvor das Chronometer von John Harrison, indem Vergangenheit und Gegenwart miteinander verknüpft wurden. Eine genauere Ortung erforderte eine genauere Zeitmessung (siehe geospatial-solutions.com/from-the-great-pyramids-to-gis-gps/). Das Problem wurde durch zwei Timation-Satelliten gelöst, die 1967 und 1969 gestartet wurden, um ein Zeitreferenzsignal zu senden. Bei den Timation-Satelliten handelte es sich im Wesentlichen um weltraumgestützte Zeitmessgeräte.
Timation verbesserte die Ortungsgenauigkeit, auch wenn es Stunden dauerte, bis eine Genauigkeit von unter einem Meter erreicht war. Das System erwies sich als erfolgreich, so dass Transit ab 1967 auch für nicht-militärische Nutzer, wie z. B. Vermessungsingenieure, verfügbar wurde. Tatsächlich ist heute jeder, der jemals mit einem Referenzsystem gearbeitet hat, mit dem WGS 84 vertraut, das ursprünglich auf “Doppler-Vermessungsempfängern”, den so genannten Georeceivern, basierte, die sich auf die Messungen des Transit-Systems bezogen. Transit war auch unter dem Namen NavSat bekannt, als es in größerem Umfang für zivile Zwecke wie die Handelsschifffahrt eingesetzt wurde.
1973 versuchte das Verteidigungsministerium, den Erfolg von Transit (NNSS) und Timation in einem einzigen Satellitensystem zu vereinen, das sich zum NavStar-Global Positioning System entwickelte. Die ersten Starts begannen 1978 und erreichten 1993 eine vollständige Konstellation von 24 GPS-Satelliten. Seitdem haben Russland, Europa, China, Indien und Japan ihre eigenen Konstellationen aufgebaut. All diese Systeme bilden zusammen mit GPS das globale Satellitennavigationssystem (GNSS), das insgesamt mehr als 120 Satelliten umfasst.
In Anerkennung des anhaltenden Erfolgs und der positiven globalen Auswirkungen von GPS wurde im Februar 2019 der Queen Elizabeth Award for Engineering an vier der Hauptentwickler des GPS-Programms für ihren Beitrag zur Welt verliehen. Diese vier Herren sind “Engineering Stars”. Am 12. Februar dieses Jahres unterzeichnete Präsident Trump eine Durchführungsverordnung, die den Wert von Position, Navigation und Zeitmessung (PNT) als unsichtbare Infrastruktur der modernen Gesellschaft anerkennt. Und am 1. Juli hielt Kapitän “Sully” Sullenberger eine Rede vor dem Beirat für weltraumgestütztes PNT, in der er darauf hinwies, dass GPS zu einem universellen Bestandteil aller Facetten unseres Lebens geworden ist, einschließlich Finanztransaktionen, Transport, Landwirtschaft, Rettungseinsätze, Vermessung und Bauwesen.
Die GPS-Satelliten sind unsere eigene Konstellation, und jeder von ihnen sollte zu Ehren eines Wissenschaftlers oder Ingenieurs benannt werden, der an der Konzeption und Entwicklung der Programme Transit, Timation und GPS mitgewirkt hat; auch wenn die früheren Systeme nicht mehr existieren, sollte ihr Erbe lange in Erinnerung bleiben.
Seit den Anfängen des Kalten Krieges, als vor 63 Jahren ein zirpender Strandball durch den Weltraum flog, bereichern heute mehr als 2 600 Satelliten unser irdisches Leben und sorgen für bessere Kommunikation, Ortung und Verständigung. Wir alle sind Kinder der Sterne, wenn auch Sterne, die wir selbst geschaffen haben.
So funktioniert die GPS-Ortungstechnologie
So funktioniert die GPS-Ortungstechnologie
Wie GPS funktioniert
Das GPS (Global Positioning System) besteht aus 24 Satelliten in einer mittleren Erdumlaufbahn, die vom US-Verteidigungsministerium entwickelt wurden und derzeit von der 50th Space Wing der US-Luftwaffe verwaltet werden. Jeder Satellit sendet Mikrowellensignale an die Erde. GPS-Empfänger auf der Erde nutzen diese Signale, um ihre Position, Geschwindigkeit, Richtung und Zeit zu bestimmen. Ein typischer GPS-Empfänger muss eine Sichtverbindung zu den Satelliten haben, um seine Position anhand der Signale von vier oder mehr GPS-Satelliten zu berechnen. Vier Satelliten sind erforderlich, da das Verfahren eine sehr genaue Ortszeit benötigt, damit das Gerät sowohl seine Zeit als auch seine Position bestimmen kann. Diese Signale werden dann vom Empfänger verarbeitet, um Breitengrad/Längengrad, Geschwindigkeit, Höhe und Zeit zu bestimmen. Bei Flottenmanagementsystemen wird dieser Datensatz über ein drahtloses Netzwerk an einen Server übertragen. Der Server übernimmt dann die Daten und verwendet sie, um dem Endnutzer die Standorte seiner Geräte mitzuteilen.
Geschichte von GPS
GPS basiert auf einer Technologie, die dem Radar ähnelt, das im Zweiten Weltkrieg entwickelt wurde. Im Jahr 1957 stellte eine Gruppe von Wissenschaftlern, die den Sputnik (das erste von der Sowjetunion gestartete Raumfahrzeug) beobachteten, fest, dass sie die ungefähre Position des Satelliten bestimmen konnten, weil die Funksignale des Satelliten bei seiner Annäherung an einen bestimmten Punkt stärker wurden und nach seinem Vorbeiflug aufgrund des Dopplereffekts schwächer wurden. Auf der Grundlage dieses Konzepts stellten sie die Theorie auf, dass die Signale einer Gruppe von Satelliten gemessen werden könnten, um den genauen Standort eines Empfängers auf der Erde zu bestimmen. In den folgenden zwei Jahrzehnten experimentierte das US-Militär mit verschiedenen Arten von Satellitennavigationssystemen, um Flugzeuge, U-Boote und Raketen zu steuern. Schließlich wurde 1978 der erste GPS-Satellit gestartet, und die übrigen folgten in den 1980er und 1990er Jahren. Ähnlich wie die ursprüngliche Version des Internets nutzten die USA GPS als Verteidigungsinstrument. Es half der US-Regierung, die Positionen feindlicher Nuklearsprengköpfe und etwaiger Nukleartestexplosionen, die gegen bestehende Verträge verstießen, zu bestimmen. Bis 1983 wurde das Global Positioning System ausschließlich vom US-Militär genutzt.
Im Jahr 1983 schoss die sowjetische Regierung jedoch versehentlich den Korean Airlines Flug 007 ab. Unmittelbar danach machte Präsident Ronald Reagan das System für die zivile Nutzung verfügbar, um ähnliche Katastrophen in Zukunft zu vermeiden. Die USA aktivierten jedoch ein Protokoll namens Selective Availability (SA), das es der Regierung ermöglichte, die Genauigkeit des Systems stark zu verringern oder es für nicht-militärische Nutzer jederzeit ganz zu deaktivieren. Auf diese Weise sollte verhindert werden, dass Feinde das System nutzen konnten, um die USA in Kriegszeiten oder bei einer anderen wahrgenommenen Bedrohung anzugreifen. Die aktuelle Version des globalen Ortungssystems wurde schließlich 1993 fertig gestellt.
Im Jahr 2000 wurde die selektive Verfügbarkeit von Präsident Bill Clinton aufgehoben, so dass das System allen zivilen Nutzern weltweit jederzeit kostenlos zur Verfügung stand. Es gibt noch andere Satellitennavigationssysteme auf der Welt. GLONASS wurde von der sowjetischen Regierung entwickelt, geriet aber Anfang der 1990er Jahre nach dem Zusammenbruch der Regierung in Vergessenheit.
Seitdem hat sich GPS zu einer weltweit weit verbreiteten Navigationshilfe entwickelt. Es wird für die Erstellung von Karten, die Landvermessung, die Verfolgung von Objekten und viele andere Anwendungen eingesetzt.
Kommunikationstechnologie
Bei Flottenmanagementprodukten bestimmen GPS-Empfänger ihren Standort mit den oben genannten Methoden aus den von den GPS-Satelliten gesendeten Signalen. Anschließend müssen sie diese Standortdaten drahtlos an einen Server übermitteln, damit das Flottenmanagementsystem die Standortdaten an die Endnutzer weitergeben kann.
1. Global Positioning Satellites (GPS) senden ständig Signale zur Erde. Ein GPS-Gerät, das sich in einem Fahrzeug oder einer Anlage befindet, empfängt diese Signale. Das Gerät bestimmt dann seinen Standort auf der Grundlage geometrischer Berechnungen aus den eingehenden Satellitensignalen.
2. Optionale Eingänge wie z. B. ein Nachrichtenanzeigeterminal, ein persönliches Navigationsgerät oder PTO-Sensoren werden an das Gerät angeschlossen, um zusätzliche Nachrichtenfunktionen bereitzustellen.
3. Das Gerät fungiert dann als drahtloses Modem und überträgt Standort, Geschwindigkeit, Kurs und andere Mitteilungsinformationen über das Mobilfunknetz.
4. Die eingehenden Informationen werden dann verarbeitet und auf Servern gespeichert.
5. Der Benutzer meldet sich auf einer Website an, um die aktuellen und früheren Standorte und Aktivitäten von Fahrzeugen und Anlagen einzusehen.
EINE KURZE GESCHICHTE DES GPS
EINE KURZE GESCHICHTE DES GPS
Haben Sie schon einmal eine Smartphone-App benutzt, um den Weg zu einem neuen Restaurant zu finden oder den Verkehr auf dem Weg zu vermeiden? Haben Sie schon einmal eine App benutzt, um einen Mitfahrdienst anzufordern? Wie wäre es, wenn Sie Ihre Kilometer bei einem schnellen Lauf aufzeichnen würden? Von so einfachen Dingen wie der Zeitanzeige auf Ihrem Telefon oder Computer bis hin zu so komplexen Dingen wie selbstfahrenden Autos werden diese modernen Notwendigkeiten und Luxusgüter von etwas angetrieben, das die meisten Menschen als selbstverständlich ansehen: dem Global Positioning System (GPS).
Die Technologien, aus denen das GPS besteht, haben sich so tief in den Alltag der Menschen integriert, dass man sich eine Welt ohne sie kaum noch vorstellen kann, aber es hat eigentlich relativ bescheidene Anfänge. Tatsächlich hat die Aerospace Corporation eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung des Konzepts und der Technologie gespielt und unterstützt diese wichtigen Systeme auch heute noch.
Hier finden Sie einen kurzen Überblick darüber, wie die weltraumgestützte Navigation zu einer so grundlegenden Technologie für unser tägliches Leben wurde.
Ein Kind des Weltraumrennens
Im Jahr 1957 startete Russland den Sputnik, den ersten Satelliten, der die Erde erfolgreich umkreiste. Während Sputnik die Erde umkreiste, sendete der Satellit ein Funksignal aus. Eine Gruppe von Wissenschaftlern des Applied Physics Laboratory (APL) der Johns Hopkins University beobachtete ein seltsames Phänomen: Die Frequenz der von Sputnik gesendeten Funksignale nahm zu, je näher der Satellit kam, und die Signalfrequenz nahm ab, je weiter er sich entfernte.
Diese Verschiebung ist in der Physik als Dopplereffekt bekannt. Durch die Ausnutzung des Dopplereffekts des Sputniks konnten die Wissenschaftler die Bewegung des Satelliten vom Boden aus mit Hilfe von Funksignalen verfolgen. Später erweiterten sie die Idee: Wenn der Standort eines Satelliten vom Boden aus über die Frequenzverschiebung seines Funksignals bestimmt werden konnte, dann konnte auch der Standort eines Empfängers am Boden anhand seiner Entfernung zum Satelliten ermittelt werden.
1958 nutzte die Advanced Research Projects Agency (ARPA) dieses Prinzip, um Transit zu entwickeln, das erste globale Satellitennavigationssystem der Welt. Der erste Satellit für Transit startete 1960, und das von der John Hopkins University APL entwickelte Konzept war in der Lage, militärischen und kommerziellen Nutzern, einschließlich der Raketen-U-Boote der Navy, Navigation zu bieten. Das Programm wurde Mitte der 1960er Jahre an die Marine übergeben, und 1968 war eine Konstellation von 36 Satelliten voll einsatzfähig. Die Transit-Technologie lieferte eine Genauigkeit von bis zu zehn Metern und wird für die “Verbesserung der Genauigkeit der Karten der Landgebiete der Erde um fast zwei Größenordnungen” verantwortlich gemacht, wodurch die Akzeptanz der Satellitennavigation erhöht wurde.
Transit war 28 Jahre lang in Betrieb, bis das Verteidigungsministerium es 1996 durch das heutige Global Positioning System (GPS) ersetzte.
GPS-Innovation vorantreiben
Dr. Ivan Getting, Gründungspräsident der Aerospace Corporation, hatte die Vision eines leistungsfähigeren und genaueren Systems, das er als “Leuchtturm am Himmel” betrachtete. Im Jahr 1963 begann Aerospace mit der Suche nach Möglichkeiten zur Erweiterung und Verbesserung eines Satellitennavigationssystems. Eine von Phillip Diamond geleitete Studie von Aerospace aus dem Jahr 1963 empfahl ein Konzept mit der Bezeichnung 621-B, und dank der Energie und Weitsicht von Getting gründete die Air Force ein neues Satellitennavigationsprogramm mit der Bezeichnung 621-B. Weitere Systemstudien der Luft- und Raumfahrtingenieure James Woodford und Hideyoshi Nakamura, die 1966 abgeschlossen wurden, empfahlen eine Architektur, bei der die Messungen von vier Satelliten den Bedarf an hochgenauen Uhren in den Empfängern überflüssig machen würden. Auf diese Weise ließen sich die hohen Kosten erheblich senken, was die Einführung der Technologie vorantrieb, da sie wirtschaftlich realisierbar wurde.
Die Architektur sah vor, dass jeder Satellit mit einer eigenen Uhr ausgestattet wird, die in regelmäßigen Abständen durch Signale von Bodenstationen aktualisiert wird und die Positionen der GPS-Satelliten mit hoher Präzision und Genauigkeit überwacht. Die Entscheidung, die Uhren vom Bodenempfänger auf den Satelliten zu verlagern, würde später massive Auswirkungen haben: Ohne die Notwendigkeit, eine Uhr am Boden zu haben, konnten die GPS-Geräte verkleinert werden, so dass sie schließlich in ein Handy passten.
Im weiteren Verlauf der 1960er Jahre wurde die Entwicklung von GPS durch technologische Fortschritte wie Festkörpermikroprozessoren, Computer und Techniken zur Nutzung der Bandbreite unterstützt. Die Entwicklung von Atomuhren am Naval Research Laboratory (NRL) Naval Center for Space Technology führte zu Fortschritten bei einem satellitengestützten Navigationssystem, das als Timation (Time Navigation) bekannt wurde. Die ersten beiden Timation-Satelliten, die 1967 und 1968 gestartet wurden, waren mit Kristalloszillator-Uhren ausgestattet. Ein dritter Satellit, der 1974 gestartet wurde, war der erste, der mit einer Atomuhr ausgestattet war, was die Genauigkeit erheblich verbesserte und eine dreidimensionale Standortabdeckung ermöglichte.
Den Weg nach vorn ebnen
Im November 1972 wurde Air Force Col. Bradford Parkinson mit der Leitung des Satellitennavigationsprogramms betraut. Parkinson leitete ein Team bei der Entwicklung eines Konzepts, das die besten Aspekte von TRANSIT, Timation und Projekt 621-B zusammenfasste. Dieser überarbeitete Systemvorschlag erhielt im Dezember 1973 die Genehmigung des Verteidigungsministeriums für ein passives 1-Weg-Entfernungsmesssystem mit 24 Satelliten, das Atomuhren auf mittleren Erdumlaufbahnen nutzte, um eine 12-Stunden-Periode zu liefern.
Die erste Umsetzung dieses Konzepts begann 1974, als die US-Luftwaffe mit der Entwicklung des ersten einer Reihe von Navstar-Satelliten, des Bodenkontrollsystems und verschiedener Arten von militärischer Benutzerausrüstung begann.
Im Februar 1978 startete der erste Navstar/GPS-Entwicklungssatellit Block I, und bis Ende 1978 wurden drei weitere Navstar-Satelliten gestartet. Zwischen 1977 und 1979 wurden mehr als 700 Tests durchgeführt, in denen die Ingenieure der Luft- und Raumfahrt die Genauigkeit des integrierten Raumfahrt-, Kontroll- und Nutzersystems bestätigten. Weitere GPS-Block-I-Demonstrationssatelliten wurden in den frühen 1980er Jahren gestartet.