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.
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.