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.