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.
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.
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.