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.
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 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.