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.
Geschichte der GPS-Satelliten und der kommerziellen GPS-Ortung
Geschichte der GPS-Satelliten und der kommerziellen GPS-Ortung
Navigation, Flottenverfolgung, Luftfahrt und Notfallmaßnahmen – GPS unterstützt all diese Funktionen. Das Global Positioning System (GPS) ist ein Ortungs-, Navigations- und Zeitgebungsdienst, der auf einer Satellitenkonstellation basiert, die sich im Besitz der USA befindet und weltweit von Kontrollstationen verwaltet wird.
Bei seiner Einführung war das GPS nur dem Militär vorbehalten, heute ist es für jedermann zugänglich, und das schon seit einiger Zeit. Aufgrund seiner weiten Verbreitung ist die GPS-Technologie heute ein fester Bestandteil unseres täglichen Lebens. Ob im Auto zur Verkehrslenkung oder auf dem Smartphone für genauere und individuellere Suchergebnisse im Internet – GPS ist eine Technologie, an die wir uns so sehr gewöhnt haben, dass wir sie oft als selbstverständlich ansehen.
Insgesamt gibt es in der GPS-Konstellation mindestens 24 einsatzbereite Satelliten und 3-5 zusätzliche Satelliten in Reserve, die bei Bedarf aktiviert werden können. Laut GPS.gov gibt es ab Mai 2020 29 betriebsbereite Satelliten. Die Satelliten umkreisen die Erde zweimal täglich in einer Höhe von 20.200 km (12.550 Meilen). Die US-Luftwaffe überwacht und verwaltet das System und hat sich verpflichtet, zu 95 % der Zeit mindestens 24 Satelliten zur Verfügung zu haben.
Geschichte des Global Positioning System (GPS)
Die Ursprünge des GPS gehen auf den Kalten Krieg zurück, als die Sowjetunion den Satelliten Sputnik I startete und damit den Wettlauf ins All einläutete. Was als Methode zur Erforschung der Erde aus dem Weltraum begann, entwickelte sich schnell zu einer universellen Technologie, die von fast allen Ländern der Welt genutzt wird.
Einer der wichtigsten Meilensteine war die Beendigung der selektiven Verfügbarkeit (Selective Availability, SA) im Jahr 2000, die der Zivilbevölkerung den Zugang zu präziseren GPS-Messungen ermöglichte und die Tür zu neuen technologischen Fortschritten öffnete.
Der Aufstieg der kommerziellen GPS-Ortung
Erst in den späten 1980er Jahren wurde die kommerzielle GPS-Technologie zur Realität. Der erste tragbare GPS-Empfänger, der für Verbraucher entwickelt wurde, stammte vom Unternehmen für elektronische Navigation Magellan. Das erste Gerät, der NAV 1000, wog 1,5 Pfund, hatte einen stolzen Preis von 3.000 Dollar und konnte nur ein paar Stunden am Stück mit Batteriebetrieb laufen. Damals bedeuteten die hohen Kosten der Satellitennavigation, dass sich außer dem Militär nur Fracht-, Liefer- und ausgewählte andere Unternehmen den Einsatz von Systemen leisten konnten.
Als sich die GPS-Genauigkeit verbesserte, begannen viele verschiedene Branchen, die Vorteile der verfügbaren GPS-Technologie zu nutzen. Heutzutage ist die tragbare GPS-Ortung viel erschwinglicher. Die heutigen GPS-Tracker sind leicht, passen oft in die Handfläche (man denke nur an Handys) und verfügen im Vergleich zu den ursprünglichen Geräten über eine viel breitere Palette von Funktionen.
So ist GPS beispielsweise für das Fuhrparkmanagement unverzichtbar, insbesondere für die Verfolgung des Fahrzeugstandorts und des Fahrverhaltens mit Hilfe der Telematik, sowie für die Routenplanung und Disposition.
GPS heute und morgen
Da die Möglichkeiten der Technologie immer weiter ausgebaut werden, kann man sich nur vorstellen, wie die GPS-Technologie in Zukunft aussehen wird. Physische Karten zu benutzen oder Fremde nach dem Weg zu fragen, gehört der Vergangenheit an.
Neue Navigationssysteme werden Unternehmen und Behörden auf der ganzen Welt unterstützen. Heute umfasst das Globale Navigationssatellitensystem (GNSS) GPS, das russische GLONASS, das Galileo der Europäischen Union und das chinesische Beidou-Navigations-Satellitensystem, wobei weitere Länder an eigenen GPS-Navigationslösungen arbeiten.
Die US-Regierung arbeitet bereits an der Einführung einer neuen Ära von GPS-Satelliten, den GPS-III-Modellen, deren dritter Satellit im Jahr 2020 starten soll. Das neue GPS-III-Satellitensystem soll bis 2023 voll einsatzfähig sein.