Die Zukunft des GPS
Die Zukunft des GPS
Die Verbesserung der Leistung von Global Positioning Systems (GPS) hat es zu einem beliebten Instrument für die Straßennavigation gemacht. Doch wie zuverlässig ist es wirklich und wie kann es zu einem System weiterentwickelt werden, das robust genug ist, um auch kritische Aufgaben wie den Flug- und Bahnverkehr zu übernehmen? David Bartlett, freiberuflicher Berater für GPS-Systeme, befasst sich mit der Geschichte des GPS und damit, wie es mit anderen Technologien und Satellitennavigationssystemen kombiniert werden kann, um eine optimale Leistung zu erzielen.
Die Leistungsfähigkeit von GPS hat sich in den letzten zehn Jahren phänomenal verbessert. Ursprünglich in den 1970er Jahren für das Militär entwickelt und vom US-Verteidigungsministerium betrieben, fasste GPS nach und nach auch in der See- und Luftnavigation Fuß. In jüngster Zeit hat es sich mit verbesserten Empfängern und Zusatztechnologien wie dem Kartenabgleich zur bevorzugten Navigationstechnologie für Straßenreisen entwickelt. GPS gehört heute nicht nur zur Standardausstattung von Luxusautos, sondern ist auch als separates Gerät für Fahrzeugortung oder Wanderer weit verbreitet und wird immer mehr zu einem integralen Bestandteil vieler Mobiltelefone.
Unterschiedliche Verwendungszwecke
GPS wird inzwischen in vielen ernsthaften professionellen Anwendungen eingesetzt, z. B. bei der Landvermessung, der Synchronisierung von Basisstationen in Mobilfunknetzen und bei der umlagefinanzierten Kfz-Versicherung, die von Norwich Union eingeführt wurde. In diesem Fall wird ein kleiner schwarzer Kasten mit einem GPS-Empfänger und einem Funkmodem in das versicherte Auto eingebaut. Das GPS überwacht ständig die Position des Fahrzeugs, und jeden Tag werden Aufzeichnungen über Ort und Zeit der Fahrt in die Computer von Norwich Union hochgeladen, die die fällige Versicherungsgebühr berechnen. Das System ermöglicht es dem Benutzer, kontextabhängige Entscheidungen über die Fahrweise zu treffen – zum Beispiel ist es in der Regel viel teurer, spät nachts oder in den frühen Morgenstunden zu fahren.
Jede Woche wird in den Medien über neue und neuartige Einsatzmöglichkeiten von GPS berichtet: Verfolgung von Gefangenen, Ortung von Nutztieren, ortsbezogene Spiele, Schutz von Alleinarbeitern und vieles mehr.
So gut, wie es ist?
GPS war das erste globale Satellitennavigationssystem (GNSS) und ist das einzige System, das heute allgemein für die kommerzielle Nutzung zur Verfügung steht. Um eine Position zu berechnen, muss der Empfänger in der Lage sein, mindestens vier (bei einer höhenbeschränkten Lösung drei) Satellitensignale zu empfangen und genau zu messen, und er muss genau wissen, wo sich die Satelliten am Himmel befinden.
Umgang mit Beschränkungen
Die meisten Leistungsverbesserungen des GPS sind auf bessere Empfänger und deren Fähigkeit zurückzuführen, sehr schwache Signale aus dem Hintergrundrauschen herauszufiltern. Dies macht sich vor allem im “Tracking-Modus” bemerkbar. Sobald der Empfänger die Satellitensignale erfasst hat, kann er sie auch dann noch verfolgen, wenn sie nur noch ein Tausendstel der normalen direkten Signalstärke betragen.
Die Schwierigkeit besteht jedoch darin, schwache Signale überhaupt erst zu erfassen. Das Problem besteht darin, dass die Satellitensignale ein Datensignal enthalten, das alle Informationen enthält, die der Empfänger für die Berechnung einer Position benötigt (siehe nebenstehenden Abschnitt “Wie GNSS funktioniert”). Diese Daten werden mit einer Bitrate von 50 Bit pro Sekunde übertragen, wodurch das gemessene Signal moduliert wird. Während der Erfassung weiß der Empfänger nicht, welche Daten übertragen werden, und diese Ungewissheit erschwert die genaue Messung sehr schwacher Satellitensignale; außerdem muss der Empfänger in der Lage sein, die Daten zu dekodieren, um zu wissen, wie die Position zu berechnen ist.
Alternative Systeme
Während GPS III einige dieser allgemeinen Bedenken ausräumt, gibt es einige politische Faktoren, die den Wunsch nach weiteren GNSS-Systemen wecken. Da GPS vom US-Verteidigungsministerium verwaltet und kontrolliert wird, ist seine Nutzung für kommerzielle Dienste von dessen Gnaden und könnte nach Belieben abgeschaltet werden. Darüber hinaus bietet GPS keine kommerziellen Serviceversprechen.
Dann gibt es noch Galileo, das europäische GNSS-System, das direkt für kommerzielle Anwendungen entwickelt wird und für das eine Dienstleistungsvereinbarung abgeschlossen wird. Es wurde so konzipiert, dass es die Nutzung mehrerer Bänder und andere technische Innovationen nutzt, um die Signalerfassung zu erleichtern und die Robustheit gegenüber Störern zu erhöhen. Die Satelliten kreisen in einer etwas stärker geneigten Umlaufbahn, was angeblich eine bessere Abdeckung als GPS in den hohen europäischen Breitengraden ermöglicht. Das System ist auch mit dem internationalen Such- und Rettungssatellitensystem (SARSAT) integriert und kann Notsignale empfangen und lokalisieren. Galileo wurde von Verzögerungen und finanziellen Problemen geplagt, doch scheint es endlich auf dem besten Weg zu sein, bis etwa 2012 betriebsbereit zu sein.
Verbesserung von GPS
Zurück zum GPS: Es gibt einige Möglichkeiten, dem Empfänger externe Informationen zur Verfügung zu stellen, um seine Leistung zu verbessern. Diese Methoden werden oft als unterstützte GPS- oder GPS-Ergänzungstechniken bezeichnet.
Signalisierung für Land und Meer
Es gibt auch viele unabhängige Systeme und Technologien, die für GNSS wichtig sind und wahrscheinlich auch in Zukunft sein werden. Neben der Kartenanpassung – ohne die die meisten kommerziellen GPS-Navigationsgeräte heute nicht auskommen würden – können zusätzliche Bewegungsdaten von Raddrehungszählern, Beschleunigungsmessern, Magnetometern, Kreiseln und anderen Geräten verwendet werden (siehe Abschnitt “Erklärung der Kartenanpassung”). Dynamische Hochleistungs-GPS-Empfänger, die für Präzisions- und Luftfahrtarbeiten verwendet werden, sind in der Regel zu kostspielig und sperrig für kommerzielle Massensysteme, die daher auf eine viel billigere teilweise Integration mit anderen Sensordaten angewiesen sind.
Angesichts der jüngsten GPS-Verbesserungen sind die alten bodengestützten, flächendeckenden Funkortungssysteme wie Decca und Loran C weitgehend außer Gebrauch geraten und wurden durch das überlegene und leistungsfähigere GPS-System ersetzt. Die Schifffahrtsindustrie fördert jedoch aktiv die Entwicklung von eLoran. Dabei handelt es sich um eine modernisierte Version von Loran, einer terrestrischen Funknavigation, die ein Netz von Niederfrequenz-Bodensendern nutzt. Der Empfänger empfängt und dekodiert die Signale von mindestens zwei oder drei verschiedenen Sendern und errechnet anhand dieser Messungen die Position des Empfängers. Es wird eine Genauigkeit von mindestens 10 m angegeben. Da das System auf völlig anderen Funkmodi und einem ganz anderen Funkspektrum basiert, ist man der Ansicht, dass eLoran ein praktikables Parallel- oder Backup-System für GPS in der Schifffahrt und für hochzuverlässige Anwendungen im Straßenverkehr darstellt.
Künftige Nutzung
Es ist wahrscheinlich, dass GPS noch für einige Zeit der Dreh- und Angelpunkt für Navigationsanwendungen bleiben wird, auch wenn
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.