Was ist GPS?
Was ist GPS?
1. allgemeiner Überblick über GPS
GPS steht für Global Positioning System (Globales Positionsbestimmungssystem), mit dem jeder jederzeit und überall auf der Welt Positions- und Zeitangaben erhalten kann.
2. Grundlegende Struktur von GPS
Drei-Block-Konfiguration
GPS besteht aus den folgenden drei Segmenten.
Raumsegment (GPS-Satelliten)
Eine Reihe von GPS-Satelliten wird auf sechs Umlaufbahnen um die Erde in einer Höhe von ca. 20.000 km (vier GPS-Satelliten pro Umlaufbahn) eingesetzt und bewegt sich in 12-Stunden-Intervallen um die Erde.
Kontrollsegment (Bodenkontrollstationen)
Die Bodenkontrollstationen haben die Aufgabe, die Satellitenbahn zu überwachen, zu kontrollieren und aufrechtzuerhalten, um sicherzustellen, dass die Abweichung der Satelliten von der Umlaufbahn sowie die GPS-Zeitmessung innerhalb der Toleranzgrenzen liegen.
Nutzersegment (GPS-Empfänger)
GPS-Ortung
Zunächst wird das Zeitsignal von einem GPS-Satelliten an einen bestimmten Punkt gesendet. Anschließend wird die Zeitdifferenz zwischen der GPS-Zeit und dem Zeitpunkt, zu dem der GPS-Empfänger das Zeitsignal empfängt, berechnet, um die Entfernung zwischen dem Empfänger und dem Satelliten zu ermitteln. Das gleiche Verfahren wird mit drei weiteren verfügbaren Satelliten durchgeführt. Es ist möglich, die Position des GPS-Empfängers aus der Entfernung zwischen dem GPS-Empfänger und drei Satelliten zu berechnen. Die mit dieser Methode ermittelte Position ist jedoch nicht genau, da die berechnete Entfernung zwischen den Satelliten und dem GPS-Empfänger einen Fehler aufweist, der auf einen Zeitfehler der im GPS-Empfänger eingebauten Uhr zurückzuführen ist. Bei einem Satelliten wird eine Atomuhr eingebaut, um die Zeitinformationen vor Ort zu generieren, aber die Zeit, die von den in den GPS-Empfängern eingebauten Uhren generiert wird, ist nicht so genau wie die Zeit, die von den Atomuhren der Satelliten generiert wird. Hier kommt der vierte Satellit ins Spiel: Die Entfernung zwischen dem vierten Satelliten und dem Empfänger kann zur Berechnung der Position im Verhältnis zu den Positionsdaten verwendet werden, die durch die Entfernung zwischen drei Satelliten und dem Empfänger erzeugt werden, wodurch die Fehlermarge bei der Positionsgenauigkeit verringert wird.
Die nachstehende Abbildung 1-3 zeigt ein Beispiel für eine zweidimensionale Positionsbestimmung (Positionserfassung anhand von zwei vorgegebenen Punkten). Wir können unseren Standort durch Berechnung der Entfernung von zwei gegebenen Punkten bestimmen und gleichzeitig mit dem genauen Zeitsignal der Satelliten kalibrieren. Das GPS ist das System, das durch Multiplikation der gegebenen Punkte und deren Ersetzung durch GPS-Satelliten in dieser Abbildung dargestellt werden kann.
GPS-Signale
GPS-Satelliten senden mehrere Frequenzen aus, wie L1 (1575,42 MHz), L2 (1227,60 MHz) und L5 (1176,45 MHz). Das typische Signal, das ausgesendet wird, ist der C/A-Code, der für kommerzielle Zwecke genutzt werden kann; der C/A-Code besteht aus einem Erkennungscode für jeden Satelliten, und gleichzeitig werden Informationen gesendet, die als Navigationsnachricht bezeichnet werden. Die Daten der Umlaufbahn jedes Satelliten werden Ephemeriden* genannt, und die Daten der Umlaufbahn aller Satelliten werden Almanach** genannt. Die Navigationsmeldungen werden mit einer Geschwindigkeit von 50 Bit pro Sekunde gesendet. Anhand dieser Datensammlung berechnet der GPS-Empfänger die Entfernung zwischen den Satelliten und dem Empfänger, um Positionsdaten zu erzeugen. In Abb. 1-4 werden die Einzelheiten des C/A-Codes und in Abb. 1-5 die Navigationsmeldungen beschrieben.
*Die Ephemeriden liefern die genaue Umlaufbahn des Satelliten selbst, die verwendet werden kann, um den genauen Standort des Satelliten zu bestimmen, der für die Berechnung der Positionsdaten erforderlich ist. Es handelt sich dabei um einheimische Daten, die nur von jedem der GPS-Satelliten mit einer spezifischen Identifikationsnummer verwendet werden.
**Der Almanach kann als vereinfachte Ephemeridendaten betrachtet werden und enthält grobe Bahn- und Statusinformationen für alle Satelliten im Netz. Er wird verwendet, um verfügbare Satelliten zu lokalisieren, damit ein GPS-Empfänger die aktuelle Position und Uhrzeit ermitteln kann. Es dauert 12,5 Minuten, um alle Almanachdaten zu empfangen.
Was ist der C/A-Code?
Das L1-Signal der GPS-Satelliten ist mit dem C/A-Code, einem Pseudozufallscode, phasenmoduliert. Der Pseudozufallscode wird auch als Pseudozufallsrauschcode bezeichnet, der auch als Goldcode bekannt ist. Wie in Abb. 1-4 dargestellt, ist der C/A-Code eine Folge von digitalen Signalen “1” und “0”. Im GPS bilden 1.023 aufeinanderfolgende Muster eine Sequenz, und diese Sequenz wiederholt sich dann ständig.
Wie funktioniert die GPS-Technologie?
Wie funktioniert die GPS-Technologie?
Satelliten stecken hinter diesem modernen Wunderwerk
Das Global Positioning System (GPS) wird durch eine Gruppe von Satelliten in der Erdumlaufbahn ermöglicht. Die Satellitenkonstellation sendet präzise Signale aus, die es den GPS-Empfängern am Boden ermöglichen, Standortinformationen zu berechnen und den Benutzern anzuzeigen. Eigentümer des GPS sind die Vereinigten Staaten.
Durch die Erfassung der Satellitensignale sind GPS-Empfänger in der Lage, nach dem mathematischen Prinzip der Trilateration geografische Standorte genau zu bestimmen. Mit zusätzlicher Rechenleistung und Speicherplatz wie Straßenkarten, Points of Interest und topografischen Informationen können GPS-Empfänger Standort-, Geschwindigkeits- und Zeitinformationen in ein nützliches Anzeigeformat umwandeln.
Die Erfindung und Entwicklung von GPS
GPS wurde ursprünglich vom Verteidigungsministerium der Vereinigten Staaten (DoD) als militärische Anwendung entwickelt. Das System ist seit Anfang der 1980er Jahre aktiv, wurde aber erst Ende der 1990er Jahre für Zivilisten verfügbar. Seitdem hat sich GPS zu einem milliardenschweren Wirtschaftszweig entwickelt, der eine breite Palette von Produkten, Dienstleistungen und internetbasierten Hilfsmitteln anbietet. Wie die meisten Technologien wird auch dieses System ständig weiterentwickelt. Obwohl es ein echtes modernes Wunderwerk ist, sind sich die Ingenieure seiner Grenzen bewusst und arbeiten kontinuierlich daran, sie zu überwinden.
Eine internationale Anstrengung
Das von den USA betriebene GPS ist das weltweit am meisten genutzte weltraumgestützte Satellitennavigationssystem. Die russische Satellitenkonstellation GLONASS bietet ebenfalls einen globalen Satellitennavigationsdienst. Einige GPS-Geräte für Endverbraucher nutzen beide Systeme, um die Genauigkeit zu verbessern und die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass genügend Standortdaten erfasst werden.
Interessante Fakten über GPS
Die Funktionsweise von GPS ist für viele Menschen, die es täglich benutzen, ein Rätsel. Diese Punkte werden Sie vielleicht überraschen:
– Das militärische GPS verwendet zwei Frequenzen, während das zivile nur eine verwendet. Dies erhöht die Genauigkeit. GPS-Geräte mit zwei Frequenzen sind auch für Zivilisten erhältlich, aber ihre Kosten und Größe machen sie unpraktisch.
– Die US-Regierung führt derzeit ein milliardenschweres Verbesserungs- und Modernisierungsprogramm durch.
– Die US-Steuerzahler finanzieren die weltweiten GPS-Dienste, hauptsächlich über das Verteidigungsministerium. Der Haushalt 2017 belief sich auf etwa 900 Millionen Dollar.
– Ein gemeinsames amerikanisches ziviles und militärisches Gremium, das National Executive Committee for Space-Based Positioning, Navigation, and Timing, überwacht das GPS. Es wird von der US-Luftwaffe gewartet und betrieben.
– Im Jahr 2017 umkreisen 24 GPS-Satelliten die Erde.
– GPS ist unverzichtbar für Geräte, Annehmlichkeiten und Dienstleistungen, die wir tagtäglich als selbstverständlich ansehen, z. B. Mobiltelefone, Uhren, Computer, Wettervorhersagen, Energieversorgung, Navigation und Notfall-/Katastrophenschutz.
– Viele Branchen sind auf die Genauigkeit von GPS angewiesen, darunter das Bankwesen, das Baugewerbe, die Luftfahrt, die Schifffahrt und die Landwirtschaft.
– GPS ist für die nationale Sicherheit von entscheidender Bedeutung. Alle neuen militärischen Geräte sind mit GPS ausgestattet.
– GPS versorgt die Luft-, See- und Straßentransportsysteme der Welt mit Informationen.
Funktionen
– Funktioniert bei allen Wetterbedingungen, rund um die Uhr und rund um den Globus genau.
– Keine Abonnementgebühr für die Nutzung von GPS-Signalen.
– Im Allgemeinen bis auf 15 Meter genau. Neuere Modelle mit WAAS-Signalen (Wide Area Augmentation System) sind bis auf drei Meter genau.
Beschränkungen
– Kann durch dichte Wälder, Schluchten, Wolkenkratzer, Brücken oder Mauern blockiert werden, was eine genaue GPS-Navigation erschwert.
– Funktioniert nicht gut in Gebäuden oder unterirdischen Räumen.
– Satellitenwartung, Funkstörungen und Sonnenstürme können Lücken in der Abdeckung verursachen.