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.
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.
Was ist GPS? Funktionsweise, Merkmale, Geschichte und Entwicklung
Was ist GPS? Funktionsweise, Merkmale, Geschichte und Entwicklung
Wahrscheinlich waren Sie schon einmal in dieser Situation. Sie denken, Sie wüssten genau, wohin Sie gehen, und schreiten zuversichtlich an einem unbekannten Ort voran. Doch nachdem Sie ein paar Mal um den Block gebogen sind, scheint Ihre Überzeugung ein wenig zu schwinden, und ein paar Minuten später wissen Sie, dass Sie sich hoffnungslos verlaufen haben. Seit der Einführung des Globalen Positionsbestimmungssystems (GPS) im Jahr 1995 hat die Technologie Menschen aus ähnlichen Situationen gerettet.
Gegenwärtig verlassen sich immer mehr Menschen auf die GPS-Technologie, um sicher an ihr Ziel zu gelangen, abgesehen von anderen Zwecken, die durch den Einbau von GPS in mobile Geräte erleichtert werden.
GPS ist ein Netz von mehr als 30 Navigationssatelliten, die die Erde umkreisen. Ursprünglich von der US-Regierung für militärische Navigationszwecke entwickelt, wird dieses System heute von jedem genutzt, der ein GPS-Gerät besitzt.
Überall auf der Erde sind mindestens vier Satelliten zu jeder Zeit “sichtbar”. In regelmäßigen Abständen sendet jeder Satellit Angaben zu seiner aktuellen Zeit und Position. Diese Signale, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, werden von unserem GPS-Empfänger aufgefangen, der anhand der Empfangsdauer der Nachrichten berechnet, wie weit die einzelnen Satelliten entfernt sind.
GPS kann bei jedem Wetter, überall auf der Welt und 24 Stunden am Tag ohne Unterbrechung funktionieren. Es kann problemlos ohne Abonnement oder Einrichtungsgebühren funktionieren.
Geschichte von GPS
Das Unternehmen Raytheon entwickelte die Technologie für GPS, als die US-Luftwaffe den Bedarf an einem genauen Leitsystem erkannte. Im Jahr 1960 verließ Dr. Ivan Getting, ein Wissenschaftler, der bei Raytheon arbeitete, seine Stelle und begann mit der Entwicklung des Global Positioning System. Zusammen mit einer Gruppe von Wissenschaftlern und Raumfahrtingenieuren entwickelte er das Konzept des dreidimensionalen GPS.
und Raumfahrtingenieuren.
Im Jahr 1957 startete die damalige UdSSR ihren allerersten Satelliten “Sputnik” inmitten des Weltraumwettlaufs und des Kalten Krieges, der das Land erschütterte. US-Wissenschaftler begannen mit der Beobachtung von Sputnik und stellten fest, dass die Umlaufbahn des Satelliten anhand der Veränderungen seiner Funkfrequenz mit Hilfe des Dopplereffekts verfolgt werden kann. Der Doppler-Effekt wurde früher verwendet, um zu erklären, warum sich die Tonhöhe der Hupe eines Autos aufgrund der Änderung seiner Geschwindigkeit ändert.
1960 führte die US-Marine mit Hilfe der durch die Sputnik-Verfolgung gewonnenen Informationen und Kenntnisse TRANSIT ein, das erste Satellitennavigationssystem, das die Führung der U-Boot-Flotte der Marine mit ballistischen Raketen unterstützen sollte.
Später, im Jahr 1967, wurde von der US-Marine die Timation-Technik entwickelt. Dieses System nutzte eine hochgradig konsistente, synchronisierte Uhr im Satelliten, eine Technik, von der GPS abhängig ist. Die ersten Atomuhren wurden 1974 in die Umlaufbahn gebracht.
Die Entwicklung erfolgte schrittweise, und dem US-Militär wurde der Start der ersten vier GPS-Satelliten bis Ende 1978 angerechnet. Die GPS-Technologie war nur für das US-Militär zugänglich, bis 1983 die Notwendigkeit entstand, ihre Nutzung auf die Zivilbevölkerung auszudehnen, was auf die Auswirkungen einer Tragödie zurückzuführen war, die sich zu dieser Zeit ereignete. Ein koreanisches Zivilflugzeug mit 269 Passagieren drang irrtümlich in den sowjetischen Luftraum ein und wurde abgeschossen, wobei alle Passagiere an Bord ums Leben kamen. Ein wirklich tragischer Vorfall!
Als Reaktion auf diesen bedauerlichen Vorfall erließ Präsident Ronald Reagan eine Richtlinie, die der ganzen Welt freien Zugang zur GPS-Technologie verschaffte.
Der erste moderne Satellit wurde am 14. Februar 1989 gestartet, und das globale Ortungssystem wurde am 17. Juli 1995 fertiggestellt.
Merkmale dieses Systems
Es besteht aus einer Konstellation von vierundzwanzig 2.000-Pfund-Satelliten, die sich alle 12 Stunden in einer Höhe von 12.000 Meilen über der Erde um die Erde bewegen.
Die Satelliten übermitteln ihren Standort und die genaue Zeit, zu der das Signal zur Erde gesendet wurde, über Funksignale und indem sie diese Informationen aus vier oder mehr Satellitensignalen zusammenfassen,
GPS-Empfänger können ihre eigene Geschwindigkeit, ihren Standort und ihre Höhe mit großer Perfektion bestimmen – in der Regel bis auf wenige Meter oder sogar weniger.
Die Entwicklung von GPS
Heute verändert die GPS-Technologie die Art und Weise, wie wir leben und kommunizieren, und ihre erfolgreichen Anwendungen beeinflussen unser aller Leben auf ganz besondere Weise. Die Entwicklung dieser Technologie ist ein allmählicher Prozess, der viele verschiedene Bereiche menschlicher Aktivitäten verändert. Sehen wir uns nun an, wie sie sich schrittweise entwickelt hat.
1972: GPS wurde zunächst von der US Air Force eingesetzt und durch Navstar erweitert.
1983: Es wurde von der US-Regierung für den öffentlichen Gebrauch und Verbrauch zugelassen.
1994: Zu diesem Zeitpunkt nutzte das US-Militär die GPS-Technologie in großem Umfang.
1996: Fußgänger begannen, GPS für die Navigation zu nutzen.
2000: Die zivile Nachfrage nach der GPS-Technologie stieg, als das US-Militär seine Praxis der absichtlichen Unschärfe der Signale aus Sicherheitsgründen einstellte
2006: Soziale Netzwerke begannen, diese Technologie durch Einchecken, Angabe von Restaurantstandorten usw. zu integrieren.
2014: GPS wird zum Standard in allen Mobiltelefonen und neuen Autos, wobei die Mehrheit der Smartphone-Nutzer verschiedene Arten von GPS-Technologie verwendet.
Heute verwenden 4 von 6 Smartphone-Nutzern eine Art von GPS-Technologie.