Mobile Sensorik: GPS-Ortung

Das Globale Positionsbestimmungssystem (GPS)

The Global Positioning System (GPS) is a location system developed by the United States Department of Defense for military purposes. It provides accurate estimates of position, velocity, and time by using a computer network and a constellation of 24 satellites to determine the altitude, longitude, and latitude of any object on the Earth’s surface through triangulation. The system has been operational since 1995.

Zivile Nutzung von GPS

Im zivilen Bereich ist aus Sicherheitsgründen nur eine abgeschwächte Teilmenge der GPS-Signale zulässig. Die zivile Gemeinschaft hat jedoch Alternativen gefunden, um mit Hilfe von Differenzialtechniken eine hervorragende Ortungsgenauigkeit zu erzielen. Diese Techniken haben zu einem enormen Wachstum bei zivilen Anwendungen geführt, und derzeit gibt es über 70 Hersteller von GPS-Empfängern.

Grundsätze der Arbeitsweise

Der Zweck der GPS-System ist die Berechnung der Position eines beliebigen Punktes in einem Koordinatenraum (x,y,z), ausgehend von der Berechnung der Entfernungen des Punktes zu mindestens drei Satelliten, deren Position bekannt ist. Die Entfernung zwischen dem Benutzer (GPS-Empfänger) und einem Satelliten wird durch Multiplikation der Flugzeit des vom Satelliten ausgestrahlten Signals mit seiner Ausbreitungsgeschwindigkeit gemessen.

Um herauszufinden, wie lange das Funksignal unterwegs war, müssen die Uhren des Satelliten und des Empfängers auf die gleiche Zeit eingestellt sein. Denn beide müssen den gleichen Code zur gleichen Zeit aussenden. Doch während die Uhren der Satelliten sehr genau gehen, handelt es sich bei den Uhren der Empfänger um billige Quarzoszillatoren, die nicht genau sind. Entfernungen mit Synchronisationsfehlern werden als Pseudoentfernungen bezeichnet. Der Unterschied in den Uhren der Empfänger ist eine weitere Unbekannte, die es erforderlich macht, mindestens vier Satelliten zu verwenden, um herauszufinden, wo sich die Empfänger befinden.

Berechnung von Pseudoranges

Bei der Berechnung der Pseudoentfernungen wird berücksichtigt, dass die GPS-Signale schwach sind und in das dem Planeten eigene Hintergrundrauschen im Funkband eingetaucht sind. Dieses natürliche Rauschen besteht aus Zufallsimpulsen, was dazu führt, dass die GPS-Empfänger einen künstlichen Pseudo-Zufallscode in Form eines Fluktuationsmusters erzeugen. Zu jedem Zeitpunkt sendet ein Satellit ein Signal mit demselben Muster wie die vom Empfänger erzeugte Pseudo-Zufallsreihe. Auf der Grundlage dieser Synchronisierung berechnet der Empfänger die Entfernung, indem er seinen Pseudo-Zufallscode zeitlich verschiebt, bis er mit dem empfangenen Code übereinstimmt; diese Verschiebung entspricht der Flugzeit des Signals. Dieser Vorgang wird in jedem Empfänger automatisch, kontinuierlich und sofort durchgeführt.

Bodenstationen und Atomuhren

Obwohl die Geschwindigkeit der Satelliten hoch ist (4 km/s), kann ihre momentane Position mit einem Fehler von weniger als einigen Metern auf der Grundlage einer Vorhersage der vorherigen Positionen in einem Zeitraum von 24 bis 48 Stunden geschätzt werden. Die Bodenstationen überprüfen regelmäßig die Atomuhren der Satelliten, zwei aus Cäsium und zwei aus Rubidium, und übermitteln die Ephemeriden und die Korrekturen der Uhren, da die Genauigkeit der Uhren und die Stabilität der Flugbahn der Satelliten für den Betrieb des GPS-Systems entscheidend sind.

Fehlerquellen bei GPS

Es gibt mehrere Fehlerquellen, die GPS-Messungen beeinträchtigen können. Einige der wichtigsten Quellen sind:

- Ionosphärische Störung: Die Ionosphäre besteht aus einer Schicht elektrisch geladener Teilchen, die die Geschwindigkeit von Funksignalen, die sie durchqueren, beeinflussen können.

- Meteorologische Phänomene: Wasserdampf in der Troposphäre, der Schicht, die der Erdoberfläche am nächsten ist, kann elektromagnetische Signale verlangsamen und Fehler in GPS-Messungen verursachen, die nur schwer zu korrigieren sind.

- Ungenauigkeit der Uhren: Selbst bei sorgfältiger Einstellung und Kontrolle können sowohl die Atomuhren der GPS-Satelliten als auch die Uhren der Empfänger leichte Abweichungen aufweisen.

- Unvorhergesehene elektrische Störungen: Elektrische Störungen können Fehler bei der Korrelation von Pseudo-Zufallscodes oder bei der Bahnberechnung verursachen, was zu Abweichungen von bis zu einem Meter führt.

- Mehrweg-Fehler: GPS-Signale können von Oberflächen reflektiert werden, bevor sie den Empfänger erreichen, was zu Fehlern bei der gemessenen Entfernung führt. Es ist schwierig, diesen Fehler zu minimieren, da er von der Umgebung der GPS-Antenne abhängt.

- Selektive Verfügbarkeit (S/A): Das Militär führt diese Fehlerquelle absichtlich ein und macht sie zur größten Fehlerquelle.

- Empfänger-Satelliten-Topologie: Die räumliche Anordnung der sichtbaren Satelliten, die für die Entfernungsberechnung verwendet werden, kann die Genauigkeit der GPS-Messungen beeinträchtigen. Moderne Empfänger können den Fehler bei der Entfernungsmessung verändern.

Diese Fehlerquellen lassen sich in solche, die von der Satellitengeometrie abhängen, und solche, bei denen dies nicht der Fall ist, unterteilen. Selektive Verfügbarkeits- und Taktfehler werden von der Form des Satelliten nicht beeinflusst, aber ionosphärische und troposphärische Verzögerungen und Mehrwegfehler werden von der Form des Satelliten stark beeinflusst. Jede GPS-Positionsmessung hat einen Wert namens "Unsicherheit", die sich auf die verschiedenen Fehlerquellen stützt.

GPS-Anwendungen

GPS-Anwendungen werden in vielen Bereichen eingesetzt, darunter Navigationshilfesysteme, atmosphärische und terrestrische Weltraummodelle und hochpräzise Zeitmessungen. Hier sind einige Beispiele für GPS-Systeme, die in zivilen Bereichen eingesetzt werden:

- Untersuchung der atmosphärischen Phänomene: GPS-Signale sind nützlich für die Entwicklung von Wettervorhersagemodellen, indem die durch Wasserdampf in der Troposphäre verursachten Geschwindigkeitsänderungen analysiert werden.

- Ortung und Navigation in unwirtlichen Regionen: GPS wird bei Forschungsexpeditionen in schwer zugänglichen Gebieten oder Gebieten ohne Landmarken eingesetzt. Dies trägt dazu bei, das Wissen über Polar- oder Wüstenregionen zu vertiefen.

- Geologische und topografische Modelle: GPS wird von Geologen zur Untersuchung der Bewegung tektonischer Platten und zur Vorhersage von Erdbeben eingesetzt. Es ist auch ein grundlegendes Instrument für die Topografie, für Landvermessungen und für Forst- und Landwirtschaftsinventuren.

- Tiefbau: GPS wird eingesetzt, um die Verformungen großer Strukturen, die Belastungen ausgesetzt sind, wie Metall- oder Betonstrukturen, in Echtzeit zu überwachen.

- Automatische Alarmsysteme: GPS wird in Alarmsystemen eingesetzt, die mit Sensoren verbunden sind, die den Transport von risikoreichen, umweltschädlichen und verderblichen Waren überwachen. Der Alarm ermöglicht eine schnelle Hilfe für das Fahrzeug.

- Synchronisierung der Signale: Die Elektroindustrie nutzt GPS, um die Uhren ihrer Überwachungsstationen zu synchronisieren und so mögliche Störungen im Stromnetz zu lokalisieren.

- Orientierungshilfe für körperlich Behinderte: Es werden GPS-Systeme entwickelt, die blinden Menschen helfen sollen, sich in der Stadt zurechtzufinden. Auch der Einsatz im Tourismus wird untersucht, um die Routen zwischen verschiedenen Orten auf einer Strecke zu optimieren.

- Navigation und Kontrolle von Fahrzeugflotten: GPS wird von Organisationen wie der Polizei, Notdiensten, Taxizentralen, Kurierdiensten und Lieferunternehmen für die Routenplanung und die Steuerung von Fahrzeugflotten eingesetzt.

- Systeme der zivilen Luftfahrt: GPS wird in der Zivilluftfahrt zur Unterstützung von Navigation und Landung eingesetzt. Seine Bedeutung hat zur Entwicklung von Systemen geführt, die die Genauigkeit des GPS verbessern sollen.

- Ununterstützte Fahrzeugnavigation: GPS wird in DGPS-Systemen für präzises Manövrieren in verkehrsreichen Gebieten, in autonomen Landfahrzeugen, für die Überwachung in feindlichen Umgebungen und für den Frachttransport eingesetzt.

Dank der hohen Präzision der GPS-Messungen wurden im Weltraum in niedrigen Umlaufbahnen wichtige Fortschritte erzielt. Roboter können jetzt gefährliche Aufgaben wie die Inspektion, Reparatur und den Zusammenbau künstlicher Satelliten selbständig erledigen.

Die Zukunft des GPS

Im Jahr 1996 wurde in den Vorschriften für GPS-Systeme festgelegt, dass die selektive Verfügbarkeit im Jahr 2006 abgeschafft und eine weitere Frequenz für die zivile Nutzung eingeführt werden soll. Dies bedeutet, dass innerhalb weniger Jahre, GPS-Satelliten senden den zivilen Code sowohl auf der L2-Frequenz als auch auf der L1-Frequenz. Dadurch wird eine Redundanz geschaffen, die es ermöglicht, ionosphärische Fehler abzuschätzen und eine absolute Moduspräzision zu erreichen, die derjenigen ähnelt, die mit Differentialtechniken erzielt werden kann. Das Signal auf der L1-Frequenz wird gleich bleiben, so dass die derzeitigen Empfänger weiterhin funktionieren können.

Das Kontrollsegment wird mit der Inbetriebnahme eines neuen Kontrollsystems für die Expertenstation, das sich derzeit in der Planungsphase befindet, verbessert werden. Dieses wird bis zu zwanzig Überwachungsstationen umfassen, was eine genauere Kontrolle der Ephemeriden und Satellitenuhren ermöglicht.

Die derzeitigen GPS-, GLONASS- und GPS/GLONASS-Navigationssysteme sind jedoch nicht in der Lage, die strengen Sicherheitsstandards zu erfüllen, die für einige zivile Anwendungen wie die Flugnavigation erforderlich sind. Die Benachrichtigung des Nutzers über Fehler im Betrieb des Systems kann von einer Sekunde, wenn der Fehler im Satelliten auftritt, bis zu mehreren Stunden dauern, wenn das Kontrollsegment den Fehler erkennt.

Um diesen Nachteilen zu begegnen, entwickelt Europa derzeit EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), das 2003 betriebsbereit sein wird. Dieses System wird die Sicherheitsstandards für die Flugnavigation erfüllen, indem ein Netz von 34 festen Empfangsantennen (RIMS) an Land installiert wird, um GPS-Signale zu empfangen und Positionsfehler zu reduzieren. Diese Signale werden an ein Kontrollzentrum gesendet, wo die Satelliteninformationen kalibriert werden, wobei der mögliche Fehler gemessen wird, um ihn zu korrigieren, und erneut an 10 Bodenstationen gesendet werden. Zusätzlich werden diese Signale an zwei neue geostationäre INMARSAT-Satelliten in 35 000 km Höhe gesendet, die als Repeater fungieren und die Signale an die Nutzer weiterleiten. Sowohl die USA (WAAS: Wide Area Augmentation System) und Japan (MTSAS: MTSAT Satellite-Based Augmentation System) arbeiten an ähnlichen Diensten.

Europa wird auch GNSS-1 startenwas für "Global Navigation Satellite System 1" steht. Dieses System wird die Dienste von GPS, GLONASS, EGNOS, WAAS und MTSAS kombinieren. Dies wird der erste Schritt zu einem europäischen Positionierungssystem (GNSS-2 oder Galileo) sein, das eine Konstellation europäischer Satelliten nutzen wird.

Abschließend sei darauf hingewiesen, dass in den nächsten fünf Jahren GPS und GPS/GLONASS die einzigen satellitengestützten Ortungssysteme sein werden, die in Betrieb sein werden.

Zusammenfassend

Um ein hohes Maß an Genauigkeit zu erreichen, muss man sich der Ursachen von GPS-Messfehlern bewusst sein. Die NOAA GPS Toolbox ist ein unverzichtbares Werkzeug für Forscher und Ingenieure, die mit GPS-Technologie arbeiten, da sie nützliche Software und Ressourcen bietet, um diese Ungenauigkeiten zu verringern.