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
Eine kurze Geschichte der GPS-Entwicklung
Eine kurze Geschichte der GPS-Entwicklung
Heutzutage vollzieht sich der technologische Fortschritt scheinbar im Handumdrehen. Für uns Menschen ist die Technologie, die unser tägliches Leben beeinflusst, eine Selbstverständlichkeit. Ich erinnere mich noch daran, wie ich die Original-Star-Trek-Serie im Fernsehen sah und über die Kommunikationsgeräte staunte, die sie benutzten. Heute sind Klapphandys eine Antiquität aus dem späten 20. Als Kind sah ich einmal ein Foto von einem Computer, der fast einen ganzen Raum einnahm. Heute passen sie in unsere Taschen. Als ich bei den Pfadfindern anfing, bedeutete Navigation, einen Kompass und eine Karte zu haben und einen Sinn für Abenteuer. Die heutige Navigation, die auf Funksignalen von in der Umlaufbahn kreisenden Satelliten basiert, bietet vielen von uns den Luxus, dass sie mit einem Fingertipp auf den Bildschirm wissen, wo sie sind und wie sie an ihr Ziel kommen. Der Weg zu dieser Fähigkeit war jedoch lang.
Als die Sowjets im Oktober 1957 den Sputnik ins All schossen, kamen Physiker und Wissenschaftler des Applied Physics Laboratory der John Hopkins University, die das “Piep, piep, piep” des Satellitensignals hörten, auf die Idee, die Dopplerverschiebung, d. h. die zeitliche Veränderung des Satellitensignals zur Bestimmung der Position des Fahrzeugs in der Umlaufbahn, in einem umgekehrten Prozess zur Bestimmung der genauen Position auf der Erde zu nutzen. Die Funkpeilung gab es bereits seit dem Zweiten Weltkrieg. Sie lieferte jedoch nur eine zweidimensionale Positionsbestimmung. Als die Air Force an der Entwicklung von ballistischen Interkontinentalraketen arbeitete, wurde der Bedarf an einem dreidimensionalen Ortungs- und Leitsystem für diese Raketen offensichtlich.
Das Naval Research Laboratory experimentierte bereits seit 1960 mit Ortungssatelliten, als es den ersten seiner Transit-Satelliten startete. Diese Satelliten nutzten das am Advanced Physics Laboratory entwickelte Konzept, um Schiffe und U-Boote der Marine mit zweidimensionalen Positionsdaten (Längen- und Breitengrad) zu versorgen. Diese Fähigkeit wurde auch der kommerziellen Schifffahrt zur Verfügung gestellt. Der Satellit enthielt jedoch kein Zeitsignal. Im Jahr 1964 startete die Marine den ersten ihrer Zeit- und Navigationssatelliten (TIMATION). TIMATION zeigte, dass der Einsatz passiver Entfernungsmessverfahren mit hochgenauen Uhren die Grundlage für ein revolutionäres neues Satellitennavigationssystem mit dreidimensionaler Abdeckung bilden könnte. Auch die US-Armee experimentierte mit der Satellitenortung und entwickelte den Satelliten Sequential Collation of Range. Dieses kleine geodätische Satellitensystem arbeitete mit drei festen Stationen und einer vierten Station am zu bestimmenden Ort. Das SECOR-Satellitenprogramm ging TIMATION voraus und lieferte zusätzliches Wissen und Technologien, die bei der Entwicklung des Global Positioning System zum Einsatz kamen.
Auch die Luftwaffe begann mit der Entwicklung eines weltraumgestützten Funknavigationssystems, das schließlich als Programm 621B bezeichnet wurde. Schließlich wurden das TIMATION-Programm der Marine und das Programm 621B der Luftwaffe zusammengelegt und zum Navigationssatellitenprogramm für Zeitmessung und Entfernungsmessung (Navigation Satellite Timing and Ranging) zusammengefasst, wobei die Luftwaffe als ausführende Stelle fungierte. Der TIMATIOJN-3-Satellit der Marine war der erste Start im Rahmen des NAVSTAR-Programms, trug aber nicht den Namen Global Positioning System. Stattdessen wurde der Satellit als Navigation Technology Satellite (NTS) – 1 bezeichnet und am 7. Juli 1974 gestartet. Der Satellit war fünf Jahre lang in Betrieb. Nach einem zweiten NTS-Start am 23. Juni 1977 erfolgte der erste NAVSTAR-GPS-Start am 22. Februar 1978 von der Vandenberg AFB in Kalifornien. In den folgenden sieben Jahren startete die Air Force erfolgreich zehn GPS-Satelliten, die von der Vandenberg Air AFB aus gesteuert wurden.
Am 26. September 1985 wurde die Falcon Air Force Station eröffnet, und das 2d Space Wing begann mit der mühsamen Planung und Vorbereitung der offiziellen Eröffnung des Consolidated Space Operations Center, von dem aus viele der Satelliten des Verteidigungsministeriums, darunter auch das Global Positioning System, betrieben werden sollten. Vier Jahre später, am 14. Februar 1989, startete die Luftwaffe den ersten der einsatzfähigen Block-II-Satelliten, und bis zum Jahresende ging die Kontrolle der GPS-Satelliten im Orbit auf die 2. Satelliten-Kontrollstaffel (jetzt 2. Raumfahrt-Operationsstaffel) über. Innerhalb eines Jahres waren die Staffel und ihre GPS-Crews gefordert, als die Vereinigten Staaten und ihre Koalitionspartner die Operation DESERT SHIELD, die Verteidigung Saudi-Arabiens, einleiteten.
Bis zum 2. August 1990, dem Tag, an dem die irakischen Streitkräfte die Grenze überschritten und mit der Besetzung Kuwaits begannen, hatte die Luftwaffe acht einsatzbereite Block-II-GPS-Satelliten in die Umlaufbahn gebracht, während acht weitere Block-I-Satelliten noch in der Entwicklung waren. Dies entsprach nur drei Vierteln der geplanten operativen Konstellation von 24 Satelliten. Während Desert Shield fortgesetzt wurde und die Koalitionsstreitkräfte sich auf eine wahrscheinliche Aktion zur Vertreibung irakischer Militäreinheiten aus Kuwait (Desert Storm) vorbereiteten, beschleunigte die Air Force den Zeitplan für den Start von GPS-Satelliten und brachte im Oktober und November 1990 jeweils einen Satelliten in die Umlaufbahn. Die Besatzungen der 1. Raumfahrtkontrollstaffel schlossen die frühen Umlaufbahn- und Check-out-Verfahren rasch ab und nahmen die Satelliten in Rekordzeit in Betrieb, bevor sie sie für den täglichen Betrieb an die 2 SCS übergaben. Die 1 SCS (später umbenannt in 1st Space Operations Squadron) war bis 2008 für den Start, die frühe Umlaufbahn, die Behebung von Anomalien und die Beendigung des Betriebs der GPS-Konstellation zuständig.
Obwohl die GPS-Konstellation erst in vier Jahren voll einsatzfähig sein würde, hatten die US-Militäreinheiten damit begonnen, die GPS-Fähigkeit in ihre Streitkräfte zu integrieren. Dieser Prozess verlief jedoch nur langsam, und viele Einsatzkräfte verfügten nicht über GPS-Fähigkeiten. Heereseinheiten sowie einzelne Soldaten und Marinesoldaten kauften kommerzielle GPS-Empfänger, insbesondere den kleinen, leichten GPs-Empfänger (SLGR) und den Trimble 1000M, um sie auf ihren Fahrzeugen zu montieren. Die Einheiten der Luftwaffe kauften in aller Eile GPS-Geräte, um die Genauigkeit ihrer Bomben, Raketen und Flugkörper zu verbessern. Auf der Schriever AFB entwickelten die Besatzungen des 1 SCS und des 2 SCS ein Verfahren, mit dem ein fehlerhaft arbeitender Satellit wieder in einen eingeschränkten Betriebszustand versetzt werden konnte, um die GPS-Genauigkeit im Einsatzgebiet zu verbessern.
Die Luftkampagne für den Wüstensturm begann am Morgen des 17. Januar 1991. Für viele Daheimgebliebene verdeutlichten die Bilder von Raketen, die in Gebäudeschächte und Fenster einschlugen, die Tödlichkeit und Präzision von GPS-gesteuerter Munition.
AUFBAU EINES GPS-SYSTEMS
AUFBAU EINES GPS-SYSTEMS
Dank der Bemühungen genialer Ingenieure und Wissenschaftler ist GPS (Global Positioning System) ein Eckpfeiler unserer heutigen Welt. Ob mit dem Navigationssystem unseres Fahrzeugs oder mit einem Handheld-Gerät bei einer Wanderung durch den Wald – wir können jetzt unseren genauen Breiten- und Längengrad von Satelliten in der Erdumlaufbahn bestimmen lassen. Ziemlich verrückt, oder? Kommen Sie mit uns und erfahren Sie, was es ist, wie es funktioniert und wie Sie Ihr eigenes GPS-System bauen können.
Wie funktioniert GPS?
Entfernung der Satelliten von der ErdeAuf der mittleren Erdumlaufbahn (12.550 Meilen) befinden sich zu jedem Zeitpunkt etwa 31 Satelliten in Betrieb. Dies ist ein relativ großes System, das mit sorgfältiger Planung und Kalibrierung betrieben wird. Der Grundgedanke ist die Mathematik. Warten Sie! Lassen Sie mich ausreden. Ihr Empfänger bestimmt den Standort, indem er die Entfernung zwischen Ihnen und dem Satelliten berechnet. Dies geschieht durch Multiplikation der Signalrate (Lichtgeschwindigkeit) mit der Atomuhrzeit des Satelliten. Sie können Ihren Standort auch über drei Satelliten ermitteln, aber das ist nicht so genau – für eine dreidimensionale Standortbestimmung werden vier Satelliten benötigt. Drei Satelliten werden für die x-, y- und z-Koordinaten benötigt, und ein Satellit zur Bestimmung der Zeit, die das Signal für den Weg von den Satelliten zum Empfänger benötigt hat.
Satellitentechnik
Ok, cool. Die Satelliten fliegen also umher und spucken Standortdaten aus, und wenn ich mich in der Sichtlinie befinde, wird mir mein Empfänger meinen Standort mitteilen. Ist das alles? Nein, nicht ganz. Wir haben gerade einen kleinen Schritt in die GPS-Technologie als Ganzes gemacht. Wir haben festgestellt, dass es zwei Hauptbestandteile gibt, nämlich Satelliten und Empfänger, die wir uns nun genauer ansehen wollen. Ein Empfänger ist in der Regel ein Chip, der elektromagnetische Wellen empfängt und sie in lesbare Daten umwandelt. Diese Systeme können von einem eigenständigen Chip über ein Breakout-Board bis hin zu einem ausgefallenen kompletten Benutzersystem wie in einem Auto reichen. Wenn du ein Projekt rund um diese Art von Technologien entwickelst, musst du die drei wichtigsten Funktionen kennen, die sie alle benötigen, um zu funktionieren. Für ein GPS-Modul benötigen Sie eine Antenne, ein integriertes System zur Durchführung von Mathematik und Datenkommunikation sowie ein Kommunikationsprotokoll, das an den Benutzer oder das Endsystem weitergeleitet wird.
Antenne
Zu jedem drahtlosen Kommunikationssystem gehört die allmächtige Antenne. Kurz gesagt, wir suchen nach einem leitfähigen Metall, durch das, wenn es von elektromagnetischen Wellen getroffen wird, ein elektrischer Strom im Inneren des Leiters fließt. Stellen Sie sich vor, Sie klatschen in ein Schwimmbecken und beobachten, wie die Wellen auf dem Wasser kräuseln. Dieser Strom fließt auf eine bestimmte Weise, die durch die elektromagnetische Welle gesteuert wird. Es gibt eine ganze Ingenieursdisziplin, die sich mit der Herstellung von Antennen befasst, deshalb wollen wir hier nicht zu sehr in die Tiefe gehen. Aber dies ist ein wichtiger Bestandteil für den nächsten Teil des Systems.
Integriertes System
Für diesen Teil gibt es keinen genauen Standard, aber wir brauchen Elektronik, um unerwünschte Wellenfrequenzen herauszufiltern und die zu lesen, die uns interessieren. Diese Systeme können komplex sein, wie bei GPS-RTK, oder einfach für normales GPS. Ein Grundrezept wäre ein Filter, ein Signaldecoder und ein Kommunikationsausgang. Wir verwenden eine Vielzahl von Chips, und jeder hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Wie kommunizieren wir also mit diesen Chips?
Kommunikationsprotokolle
Nehmen wir an, Sie haben schon von den gängigen Kommunikationsmethoden zwischen elektronischen Geräten wie Serial, I2C, SPI usw. gehört oder sind damit vertraut. Dies sind Kommunikationsmethoden auf Hardware-Ebene von Computer zu Computer, aber GPS hat eine zusätzliche Ebene. Wie können wir die vielen Satelliten berücksichtigen, die umherfliegen und ihre eigene Sprache ausspucken? Wir führen GPS-Kommunikationsprotokolle ein, was nichts anderes bedeutet, als dass wir sie standardisieren. Das ist der NMEA-0183-Standard: Er unterteilt die Signale in Sätze.
Wenn das Signal nach diesem Standard dekodiert wird, wird die einst elektromagnetische Welle für Menschen lesbar. Wenn wir sie in die Kommunikationsleitungen einspeisen, kann unser Computer uns unseren Standort anzeigen.
Globales Positionsbestimmungssystem (GPS)
Globales Positionsbestimmungssystem (GPS)
Was ist das Globale Positionsbestimmungssystem (GPS)?
Das GPS (Global Positioning System) ist eine “Konstellation” von 31 gut verteilten Satelliten, die die Erde umkreisen und es Menschen mit Bodenempfängern ermöglichen, ihren geografischen Standort genau zu bestimmen. Die Genauigkeit der Ortung liegt bei den meisten Geräten zwischen 100 und 10 Metern und bei speziellen, vom Militär zugelassenen Geräten innerhalb eines Meters. GPS-Geräte sind in der Wissenschaft weit verbreitet und inzwischen so preisgünstig, dass fast jeder einen GPS-Empfänger besitzen kann.
Das GPS ist Eigentum des US-Verteidigungsministeriums und wird von diesem betrieben, ist aber weltweit verfügbar.
Wie funktioniert das GPS?
Kurz gesagt, funktioniert es folgendermaßen:
21 GPS-Satelliten und drei Ersatzsatelliten befinden sich in einer Umlaufbahn in 10.600 Meilen Höhe über der Erde. Die Satelliten sind so angeordnet, dass sich von jedem Punkt der Erde aus vier Satelliten über dem Horizont befinden.
Jeder Satellit enthält einen Computer, eine Atomuhr und ein Funkgerät. Mit der Kenntnis seiner Umlaufbahn und der Uhr sendet er kontinuierlich seine sich ändernde Position und Zeit. (Einmal am Tag überprüft jeder Satellit seine Zeit- und Positionsbestimmung mit einer Bodenstation und nimmt eine geringfügige Korrektur vor).
Am Boden enthält jeder GPS-Empfänger einen Computer, der seine Position “trianguliert”, indem er die Peilungen von drei Satelliten erhält. Das Ergebnis ist eine geografische Position – Längen- und Breitengrad – die bei den meisten Empfängern bis auf 100 Meter genau ist.
Wenn der Empfänger auch mit einem Bildschirm und einer Karte ausgestattet ist, kann die Position ebenfalls angezeigt werden.
Wenn ein vierter Satellit empfangen werden kann, kann der Empfänger/Computer neben der geografischen Position auch die Höhe ermitteln.
Wenn Sie sich fortbewegen, kann Ihr Empfänger auch Ihre Geschwindigkeit und Fahrtrichtung berechnen und Ihnen die voraussichtliche Ankunftszeit an einem bestimmten Ziel angeben.
Das GPS wird in der Wissenschaft eingesetzt, um Daten zu liefern, die in der Menge und Genauigkeit, die das GPS ermöglicht, noch nie verfügbar waren. Wissenschaftler nutzen das GPS, um die Bewegung der arktischen Eisschilde, die tektonischen Platten der Erde und vulkanische Aktivitäten zu messen.
Die mobile GPS-Technologie hat den heutigen Smartphones bequeme und hocheffiziente Mittel an die Hand gegeben, mit denen die Endnutzer Navigationsanweisungen über ein globales Positionsbestimmungsverfahren namens “Trilateration” erhalten. Der in einem Telefon eingebaute GPS-Empfänger kommuniziert auch mit einer Reihe von Satelliten, die Navigationsanweisungen für Autofahrer oder Fußgänger liefern. Technologisch fortschrittlichere Telefone können einzelne Straßen und Sehenswürdigkeiten auf Karten identifizieren und bieten eine kommentierte Tracking-Funktion.
Wie erhalten GPS-Empfänger Daten von den Satelliten?
Zunächst einmal berechnet der GPS-Empfänger seine Position anhand der Nachrichten, die er von den GPS-Satelliten erhält. Eine Nachricht enthält den genauen Zeitpunkt, zu dem die Daten vom Satelliten an die Erdoberfläche gesendet werden. Jeder Satellit sendet ständig Nachrichten mit genauen Informationen über die Satellitenbahn sowie mit nicht so genauen Informationen über die Bahn anderer Satelliten im System. Wenn das Satellitensignal empfangen wird, bestimmt der Empfänger die Entfernung zu jedem Satelliten und berechnet mit Hilfe von Geometrie- und Trigonometrie-Algorithmen die genaue Position auf oder nahe der Erdoberfläche. Anschließend wandelt er die Rohdaten in eine benutzerfreundliche Form um, z. B. in eine grafische oder alphanumerische Anzeige von Breiten- und Längengraden (Koordinaten).
Um die genaue 2D-Position zu bestimmen, benötigt der GPS-Empfänger das Signal von mindestens 3 Satelliten. Für die genaue Höhe über dem Meeresspiegel benötigt er das Signal von mindestens 4 Satelliten. Da die Gesamtzahl der GPS-Satelliten 32 beträgt, stehen dem GPS-Empfänger zu jedem Zeitpunkt mehr als 4 notwendige Satelliten zur Verfügung. Der Empfänger nutzt diese Redundanz, um die Position so genau wie möglich zu bestimmen und atmosphärische und reflektierende Einflüsse auf den GPS-Signalweg zu vermeiden.
Die besten GPS-Geräte für 2022
Die besten GPS-Geräte für 2022
Der Tod des speziellen GPS-Geräts ist übertrieben worden. Sicher, in Smartphones sind talentierte – und oft auch kostenlose – Navigations-Apps integriert, aber nicht jeder möchte ein Telefon oder ein Tablet für Fahranweisungen verwenden. Mit einem eigenständigen GPS-Gerät können Sie es einfach im Auto lassen, bis Sie es brauchen, und müssen sich keine Sorgen machen, dass der Akku Ihres Telefons leer wird.
Dank kostenloser Verkehrsmeldungen, lebenslanger Kartenaktualisierung und lokaler Suche sind GPS-Geräte heute viel leistungsfähiger als je zuvor, und sie waren noch nie so erschwinglich wie heute – auch dank der starken Konkurrenz durch die bereits erwähnten Navi-fähigen Handys und Tablets.
Allerdings ist der GPS-Markt so stark geschrumpft, dass wir keine speziellen Geräte mehr testen und bewerten. Und er ist auf zwei große Anbieter geschrumpft: Garmin und Tom Tom. Die gute Nachricht ist, dass diese Hersteller in der Vergangenheit von uns Top-Bewertungen erhalten haben, und die Modelle, die wir hier empfehlen, sind ihre beliebtesten und haben die besten Kundenbewertungen.
Wenn Sie also auf der Suche nach dem richtigen GPS-Gerät sind, sollte eines dieser Geräte Sie ans Ziel bringen.
Einfach und erschwinglich: Garmin Drive 52 & Traffic:-
Garmin Drive 52 & Traffic:-
Das Garmin Drive 52 & Traffic ist eines der einfachsten und erschwinglichsten Garmin-GPS-Systeme, die Sie für Ihr Auto bekommen können. Wie der Name schon sagt, müssen Sie für das Drive 52 etwas mehr bezahlen als für das “normale” Drive 52, um Verkehrsmeldungen zu erhalten, aber ohne diese Funktion könnten Sie genauso gut Ihr Telefon benutzen.
Der größte Bildschirm: Garmin DriveSmart 86
Garmin DriveSmart 86
Wenn Sie eine Karte auf einem großen, dem Infotainmentsystem ähnlichen Bildschirm wünschen, ist das Garmin DriveSmart 86 das richtige Navi für Sie. Sein 8-Zoll-Bildschirm ist einer der größten auf dem Markt, größer als bei großen Handys. Aus diesem Grund ist es auch eines der teureren Modelle, die Sie bekommen können.
Einfache Updates und Telefonnachrichten: TomTom Go Comfort
TomTom Go Comfort
TomTom ist der andere große Name im Bereich der GPS-Geräte, und das Go Comfort ist eines seiner zugänglichsten Modelle mit einer App, die Ihr Telefon für Karten und Updates synchronisiert. Es kann auch Textnachrichten von Ihrem Telefon anzeigen, eine praktische Funktion, die das Garmin DriveSmart 52 nicht hat.
Schnell und vollgepackt mit Funktionen: TomTom Go Discover
TomTom Go Discover
Das Go Discover ist das Flaggschiff unter den Auto-GPS-Geräten von TomTom, mit dem größten (7-Zoll-)Bildschirm und den meisten Funktionen. Es bietet Live-Tankpreise und Informationen zu Parkplätzen abseits der Straße sowie eine Fahrspurführung.
TomTom Rider 550
Wenn Sie ein GPS für Ihr Motorrad suchen, müssen Sie sich für ein kleineres und robusteres Gerät entscheiden. Das TomTom Rider 550 verfügt über einen 4,3-Zoll-Bildschirm und ein wetterfestes Design und ist mit Google Assistant und Siri kompatibel.
Garmin Zumo XT
Das Garmin Zumo XT bietet einen 5,5-Zoll-Bildschirm für die Navigation auf Ihrem Motorrad. Es geht über normale Straßen hinaus und bietet Offroad-Routenkarten, Satellitenbilder und einen Track-Recorder zum Speichern und Teilen Ihrer Routen. Mit seinem IPX7-Gehäuse ist es sicher vor Schmutz und Regen.
Die ganze Autotechnologie, die Sie gebrauchen können
Wenn Sie weitere Ratschläge zur Aufrüstung Ihres Fahrzeugs benötigen, sehen Sie sich einige unserer beliebtesten Möglichkeiten an, wie Sie Ihr aktuelles Auto mit Technik aufrüsten können. Wir haben auch viele Tipps für den Kauf der besten Dashcam. Und wenn Sie Ihr Handy doch als GPS-Gerät verwenden möchten, können Sie dies mit einer der besten Handyhalterungen für das Auto sicher tun.
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.
Die Entwicklung des GPS
Die Entwicklung des GPS
Das Global Positioning System (GPS) wird immer mehr zu einem festen Bestandteil unseres täglichen Lebens. Das System, das 1973 vom US-Verteidigungsministerium entwickelt wurde, hat seit seiner Einführung für die Öffentlichkeit im Jahr 1995 viele Veränderungen durchlaufen. GPS verwendet das Konzept der Trilateration, um Ihren Standort zu bestimmen, stützt sich aber auf Differential-GPS und Atomuhren, um die Genauigkeit erheblich zu verbessern. Dank dieser Präzision wird GPS in unzähligen Anwendungen eingesetzt, darunter in der persönlichen Navigation und in militärischen Raketenleitsystemen. Und da diese Technologie immer preiswerter wird, wird GPS wahrscheinlich in immer interessanteren Anwendungen wie der digitalen Dateisicherheit eingesetzt werden. Zunächst muss sich die US-Regierung jedoch mit der Frage des Datenschutzes im Zusammenhang mit GPS befassen.
Einführung
Wir alle kennen das: Sie fahren die Straße entlang und versuchen verzweifelt, aus dem Fenster zu schauen und die Straßennummern zu lesen. Sind Sie falsch abgebogen? Schon bald kommen Sie zu der Erkenntnis, die Sie schon lange befürchtet haben: Sie haben sich verfahren. In der Vergangenheit war dies ein sehr häufiger Vorfall. Doch seit dem Aufkommen des Global Positioning System (GPS) sind immer mehr Menschen in der Lage, problemlos zu ihrem gewünschten Ziel zu navigieren. Die GPS-Technologie ermöglicht es den Nutzern, ihren genauen Standort über einen kleinen GPS-Empfänger zu bestimmen. Heute sind GPS-Empfänger in Autos, Booten, Flugzeugen, Laptops, Traktoren und unzähligen anderen Anwendungen zu finden.
Um die Bedeutung dieser Technologie richtig einschätzen zu können, ist es wichtig zu verstehen, wie GPS funktioniert, welche Anwendungen es derzeit gibt, welche potenziellen Probleme mit GPS verbunden sind und welche künftigen Anwendungen zu erwarten sind. Zunächst muss man jedoch die Beweggründe für die Entwicklung von GPS verstehen.
Geschichte
1973 wurde die Idee für ein globales Positionierungssystem, das ursprünglich NAVSTAR genannt wurde, vom Verteidigungsministerium der Vereinigten Staaten entwickelt. Ursprünglich war die Technologie nur für militärisches Personal und Transporteinheiten gedacht, um deren Standort zu ermitteln. Fünf Jahre später, im Jahr 1978, wurden die ersten vier GPS-Satelliten vom US-Verteidigungsministerium ins All geschossen. GPS erreichte seine volle Betriebskapazität erst am 17. Juli 1995, da für eine vollständige Abdeckung mindestens 24 Satelliten erforderlich sind.
Vor der kommerziellen Einführung von GPS kündigte das Verteidigungsministerium an, dass zwei verschiedene GPS-Dienste entwickelt würden: Standard Positioning Service (SPS) und Precise Positioning Service (PPS). SPS, das schließlich acht Jahre später aktiviert wurde, sollte für die Öffentlichkeit freigegeben werden, während PPS dem US-Militär vorbehalten sein sollte. Der wesentliche Unterschied zwischen SPS und PPS bestand darin, dass bei SPS ein absichtlicher Zufallsfehler verwendet wurde, um zu verhindern, dass Zivilisten durch eine Technik namens Selective Availability (SA) exakte Koordinaten erhalten konnten. SA verschlechterte das Signal um etwa 100 Meter, indem die Uhren der Satelliten leicht verändert wurden . Das Verteidigungsministerium war der Ansicht, dass diese Änderung notwendig war, um die Sicherheitsinteressen der USA und ihrer Verbündeten zu schützen, indem potenziellen Feinden die volle Leistungsfähigkeit von GPS vorenthalten wurde.
Präsident Bill Clinton beendete den SA-Dienst am 1. Mai 2000. Er begründete dies damit, dass “den weltweiten Interessen der Verkehrssicherheit, der Wissenschaft und des Handels durch die Einstellung von SA am besten gedient ist” . Da das Verteidigungsministerium immer noch in der Lage ist, GPS-Signale im Falle einer Bedrohung der nationalen Sicherheit selektiv regional zu verweigern, war es der Ansicht, dass SA abgeschafft werden kann, ohne die USA oder ihre Verbündeten angreifbar zu machen. SPS ist zwar immer noch nicht so präzise wie PPS, aber durch die Abschaffung von SA hat sich die Genauigkeit verfünffacht.
Wie es funktioniert
Um zu verstehen, wie GPS Ihren Standort auf Ihrem PDA anzeigen kann, müssen Sie vier Schlüsselbereiche untersuchen: das Konzept der Trilateration, die Entfernungsmessung, Atomuhren und die Verringerung von Fehlern durch Differential-GPS.
Trilateration
Die Trilateration ist das grundlegende Konzept, das dem GPS zugrunde liegt. Jeder der 29 Satelliten des GPS-Netzes umkreist die Erde zweimal täglich. Die Gesamtzahl von 29 (24 operationelle, 5 Backup-Satelliten) wurde erreicht, weil mit dieser Zahl festgestellt wurde, dass von jedem Punkt der Erde aus mindestens vier Satelliten sichtbar sind. Die folgende Diskussion zeigt, dass es notwendig ist, immer vier Satelliten in Sichtweite zu haben.
Ein einzelner Satellit übermittelt im Wesentlichen eine entscheidende Information: die Entfernung zwischen ihm und dem anfragenden Gerät. Nennen wir Ihre Entfernung vom Satelliten D. Die kreisförmige Fläche um diesen Punkt repräsentiert überall auf der Erdoberfläche eine Entfernung D vom Satelliten.
Wer hat das GPS erfunden? Die Menschen hinter dem Global Positioning System.
Wer hat das GPS erfunden? Die Menschen hinter dem Global Positioning System.
Dass Alexander Graham Bell das Telefon nicht erfunden hat, konnte 113 Jahre nach dem Tod des ursprünglichen Erfinders Antonio Meucci vor Gericht bewiesen werden. Bei dem Wort “Glühbirne” denkt man sofort an Thomas Edison, aber es war Humphry Davy, der zum ersten Mal zeigte, wie man Licht erzeugen kann, indem man elektrischen Strom durch einen Platinstreifen leitet. Die Geschichte der Wissenschaft ist voll von Erfindungen, deren Urheberschaft heftig umstritten ist. Das Global Positioning System (GPS) ist eine von ihnen. Wer hat also das GPS erfunden?
GPS ist zu einem so unverzichtbaren Bestandteil des modernen Lebens geworden, dass wir fast davon abhängig geworden sind. Es hat sich langsam und stetig in unsere Autos, Schiffe, Flugzeuge, Kameras, Baumaschinen, Landmaschinen, Laptops und natürlich Smartphones eingeschlichen.
Und dennoch herrscht keine Einigkeit darüber, wem die Erfindung zuzuschreiben ist. Mindestens vier verschiedene Personen werden eindeutig mit der Erfindung dieser revolutionären Technologie in Verbindung gebracht, die letztlich vom US-Verteidigungsministerium zur Unterstützung der Streitkräfte entwickelt wurde.
Roger L. Easton
Der ehemalige Leiter der Abteilung für Weltraumanwendungen des Naval Research Laboratory war der Kopf hinter mehreren technischen Anwendungen und Technologien, die die Entwicklung des GPS ermöglichten. Als Wissenschaftler des Kalten Krieges arbeitete Easton an Technologien zur Verfolgung von Satelliten wie dem Sputnik der Sowjetunion, bevor er ein zeitbasiertes Navigationskonzept namens TIMATION entwickelte, das passive Entfernungsmessung, kreisförmige Umlaufbahnen und mit einer Hauptuhr synchronisierte Hochpräzisionsuhren im Weltraum einsetzte. Auch heute noch sind diese Funktionen für ein modernes GPS unerlässlich.
Im Jahr 2004 erhielt Easton vom damaligen Präsidenten George W. Bush die Nationale Medaille für Technologie und Innovation der Vereinigten Staaten. Die Auszeichnung wurde in Anerkennung der “umfangreichen Pionierleistungen in den Bereichen Raumfahrzeugverfolgung, Navigation und Zeitmessung verliehen, die zur Entwicklung des NAVSTAR-Global Positioning System geführt haben”.
Die National Inventors Hall of Fame erkannte Eastons Bemühungen um die Entwicklung des GPS jedoch erst 2010 an. Tatsächlich wurden 2004 zwei weitere Personen in die Hall of Fame aufgenommen, die sich für die Entwicklung der GPS-Technologie eingesetzt haben.
Ivan Getting
In der Hall of Fame für Erfinder wird Dr. Getting dafür gewürdigt, dass er “das Konzept der Verwendung eines fortschrittlichen Satellitensystems zur Berechnung äußerst präziser Positionsdaten für sich schnell bewegende Fahrzeuge – von Autos bis hin zu Raketen – vorangetrieben hat.
Der Gründungspräsident der Aerospace Corporation wird auch von der American National Academy of Engineering gewürdigt, die ihm 2003 den Charles Stark Draper Prize for Engineering für das “Konzept und die Entwicklung des GPS” verlieh. Genauer gesagt, würdigt die Akademie Dr. Getting für seine Arbeit am “Design des GPS, an seinem operativen Wert und an der Planung, Verhandlung und Erzielung von Vereinbarungen mit allen Beteiligten des Systems, die entscheidend dafür waren, dass es Wirklichkeit wurde.
Dr. Getting schlug ein dreidimensionales Positionsbestimmungssystem mit Zeitdifferenz für die Navigation vor, und nach seiner eigenen Aussage “war einer der Vorschläge der Aerospace Corporation … im Wesentlichen das, was heute das GPS ist.” Dr. Getting räumt zwar ein, dass die Navy bereits ein sehr gutes Weltraumnavigationssystem entwickelt hatte, als dieser Vorschlag dem Verteidigungsministerium unterbreitet wurde, sagt aber: “Die Schlussfolgerung des Director of Defense Research & Engineering (DDRE) war, dass ein einziges System erforderlich war und dass es auf dem Air Force/Aerospace-Konzept namens GPS basieren und von der Air Force in Zusammenarbeit mit allen drei Diensten entwickelt werden sollte.”
Bradford Parkinson
Parkinson war von 1972 bis 1978 an der Spitze des NAVSTAR GPS Joint Program Office. In der Inventors Hall of Fame heißt es: “Als erster Manager des Programms war er der Hauptarchitekt des GPS während der gesamten Konzeption, technischen Entwicklung und Implementierung des Systems.” Dies hat Parkinson auch den Titel “Vater des GPS” eingebracht.
Parkinson, damals Oberst der Luftwaffe, wurde mit der Wiederbelebung eines Programms der Space and Missile Systems Organization (RMSO) namens 621B beauftragt, das die Höhe sowie den Breiten- und Längengrad für Navigationszwecke lieferte. Als das Verteidigungsministerium beschloss, ein gemeinsames Programm in Zusammenarbeit mit allen Streitkräften zu entwickeln, wurde Parkinson damit beauftragt, ein solches Programm auf die Beine zu stellen.
Parkinson sagt in einer Rede in Stanford, dass dieses neue Programm die Uhren von Eastons TIMATION, die Signalstruktur von 621B und die Bahnvorhersagemethode von einem anderen Navigationssystem der Marine namens TRANSIT übernahm, das am Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory entwickelt wurde. Zusammen bildeten sie das NAVSTAR-Global Positioning System.
Dr. Gladys West
Für Dr. West war es ein langer Weg, bis sie als eine der Schlüsselfiguren hinter der Erfindung des GPS anerkannt wurde. Im Jahr 1956 begann Dr. West ihre Arbeit am United States Naval Weapons Laboratory. Diese Einrichtung stand an der Spitze des Wettlaufs um die Raumfahrt nach dem Kalten Krieg und beherbergte das Naval Space Surveillance Center, bis 2004 die Luftwaffe die Leitung der Raumfahrt übernahm. Als gelernter Mathematiker rechnete Dr. West mit Zahlen und verarbeitete Daten von Satelliten, um deren genauen Standort zu bestimmen.
Im Dezember 2018 wurde Dr. West schließlich in die Air Force Space and Missile Pioneers Hall of Fame aufgenommen – eine der höchsten Auszeichnungen des Space Commands der Air Force. Bei der Einweihung würdigte die Air Force den Beitrag von Dr. West bei der Programmierung eines IBM 7030 ‘Stretch’-Computers, um “zunehmend verfeinerte Berechnungen für ein extrem genaues geodätisches Erdmodell, ein Geoid, zu liefern, das für das optimiert wurde, was schließlich zum Orbit des Global Positioning System (GPS) wurde.”
Heute gibt es mindestens 31 einsatzbereite GPS-Satelliten, die die Erde umkreisen und sich auf jeden Aspekt unseres Lebens auswirken.
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.
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.