Das Global Positioning System (GPS) ist ein Ortungssystem, das vom Verteidigungsministerium der Vereinigten Staaten f\u00fcr milit\u00e4rische Zwecke entwickelt wurde. Es liefert genaue Sch\u00e4tzungen von Position, Geschwindigkeit und Zeit, indem es ein Computernetzwerk und eine Konstellation von 24 Satelliten verwendet, um die H\u00f6he, L\u00e4nge und Breite eines beliebigen Objekts auf der Erdoberfl\u00e4che durch Triangulation zu bestimmen. Das System ist seit 1995 in Betrieb.<\/p>\n\n\n
Im zivilen Bereich ist aus Sicherheitsgr\u00fcnden nur eine abgeschw\u00e4chte Teilmenge der GPS-Signale zul\u00e4ssig. 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 gef\u00fchrt, und derzeit gibt es \u00fcber 70 Hersteller von GPS-Empf\u00e4ngern.<\/p>\n\n\n
Der Zweck der GPS-System<\/a> 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-Empf\u00e4nger) und einem Satelliten wird durch Multiplikation der Flugzeit des vom Satelliten ausgestrahlten Signals mit seiner Ausbreitungsgeschwindigkeit gemessen.<\/p>\n\n\n\n Um herauszufinden, wie lange das Funksignal unterwegs war, m\u00fcssen die Uhren des Satelliten und des Empf\u00e4ngers auf die gleiche Zeit eingestellt sein. Denn beide m\u00fcssen den gleichen Code zur gleichen Zeit aussenden. Doch w\u00e4hrend die Uhren der Satelliten sehr genau gehen, handelt es sich bei den Uhren der Empf\u00e4nger um billige Quarzoszillatoren, die nicht genau sind. Entfernungen mit Synchronisationsfehlern werden als Pseudoentfernungen bezeichnet. Der Unterschied in den Uhren der Empf\u00e4nger ist eine weitere Unbekannte, die es erforderlich macht, mindestens vier Satelliten zu verwenden, um herauszufinden, wo sich die Empf\u00e4nger befinden.<\/p>\n\n\n Bei der Berechnung der Pseudoentfernungen wird ber\u00fccksichtigt, dass die GPS-Signale schwach sind und in das dem Planeten eigene Hintergrundrauschen im Funkband eingetaucht sind. Dieses nat\u00fcrliche Rauschen besteht aus Zufallsimpulsen, was dazu f\u00fchrt, dass die GPS-Empf\u00e4nger einen k\u00fcnstlichen Pseudo-Zufallscode in Form eines Fluktuationsmusters erzeugen. Zu jedem Zeitpunkt sendet ein Satellit ein Signal mit demselben Muster wie die vom Empf\u00e4nger erzeugte Pseudo-Zufallsreihe. Auf der Grundlage dieser Synchronisierung berechnet der Empf\u00e4nger die Entfernung, indem er seinen Pseudo-Zufallscode zeitlich verschiebt, bis er mit dem empfangenen Code \u00fcbereinstimmt; diese Verschiebung entspricht der Flugzeit des Signals. Dieser Vorgang wird in jedem Empf\u00e4nger automatisch, kontinuierlich und sofort durchgef\u00fchrt.<\/p>\n\n\n 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 gesch\u00e4tzt werden. Die Bodenstationen \u00fcberpr\u00fcfen regelm\u00e4\u00dfig die Atomuhren der Satelliten, zwei aus C\u00e4sium und zwei aus Rubidium, und \u00fcbermitteln die Ephemeriden und die Korrekturen der Uhren, da die Genauigkeit der Uhren und die Stabilit\u00e4t der Flugbahn der Satelliten f\u00fcr den Betrieb des GPS-Systems entscheidend sind.<\/p>\n\n\n Es gibt mehrere Fehlerquellen, die GPS-Messungen beeintr\u00e4chtigen k\u00f6nnen. Einige der wichtigsten Quellen sind:<\/p>\n\n\n\n - Ionosph\u00e4rische St\u00f6rung:<\/strong> Die Ionosph\u00e4re besteht aus einer Schicht elektrisch geladener Teilchen, die die Geschwindigkeit von Funksignalen, die sie durchqueren, beeinflussen k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n - Meteorologische Ph\u00e4nomene:<\/strong> Wasserdampf in der Troposph\u00e4re, der Schicht, die der Erdoberfl\u00e4che am n\u00e4chsten ist, kann elektromagnetische Signale verlangsamen und Fehler in GPS-Messungen verursachen, die nur schwer zu korrigieren sind.<\/p>\n\n\n\n - Ungenauigkeit der Uhren:<\/strong> Selbst bei sorgf\u00e4ltiger Einstellung und Kontrolle k\u00f6nnen sowohl die Atomuhren der GPS-Satelliten als auch die Uhren der Empf\u00e4nger leichte Abweichungen aufweisen.<\/p>\n\n\n\n - Unvorhergesehene elektrische St\u00f6rungen:<\/strong> Elektrische St\u00f6rungen k\u00f6nnen Fehler bei der Korrelation von Pseudo-Zufallscodes oder bei der Bahnberechnung verursachen, was zu Abweichungen von bis zu einem Meter f\u00fchrt.<\/p>\n\n\n\n - Mehrweg-Fehler:<\/strong> GPS-Signale k\u00f6nnen von Oberfl\u00e4chen reflektiert werden, bevor sie den Empf\u00e4nger erreichen, was zu Fehlern bei der gemessenen Entfernung f\u00fchrt. Es ist schwierig, diesen Fehler zu minimieren, da er von der Umgebung der GPS-Antenne abh\u00e4ngt.<\/p>\n\n\n\n - Selektive Verf\u00fcgbarkeit (S\/A):<\/strong> Das Milit\u00e4r f\u00fchrt diese Fehlerquelle absichtlich ein und macht sie zur gr\u00f6\u00dften Fehlerquelle.<\/p>\n\n\n\n - Empf\u00e4nger-Satelliten-Topologie:<\/strong> Die r\u00e4umliche Anordnung der sichtbaren Satelliten, die f\u00fcr die Entfernungsberechnung verwendet werden, kann die Genauigkeit der GPS-Messungen beeintr\u00e4chtigen. Moderne Empf\u00e4nger k\u00f6nnen den Fehler bei der Entfernungsmessung ver\u00e4ndern.<\/p>\n\n\n\n Diese Fehlerquellen lassen sich in solche, die von der Satellitengeometrie abh\u00e4ngen, und solche, bei denen dies nicht der Fall ist, unterteilen. Selektive Verf\u00fcgbarkeits- und Taktfehler werden von der Form des Satelliten nicht beeinflusst, aber ionosph\u00e4rische und troposph\u00e4rische Verz\u00f6gerungen und Mehrwegfehler werden von der Form des Satelliten stark beeinflusst. Jede GPS-Positionsmessung hat einen Wert namens \"Unsicherheit<\/a>\", die sich auf die verschiedenen Fehlerquellen st\u00fctzt.<\/p>\n\n\n GPS-Anwendungen werden in vielen Bereichen eingesetzt, darunter Navigationshilfesysteme, atmosph\u00e4rische und terrestrische Weltraummodelle und hochpr\u00e4zise Zeitmessungen. Hier sind einige Beispiele f\u00fcr GPS-Systeme, die in zivilen Bereichen eingesetzt werden:<\/p>\n\n\n\n - Untersuchung der atmosph\u00e4rischen Ph\u00e4nomene:<\/strong> GPS-Signale sind n\u00fctzlich f\u00fcr die Entwicklung von Wettervorhersagemodellen, indem die durch Wasserdampf in der Troposph\u00e4re verursachten Geschwindigkeits\u00e4nderungen analysiert werden.<\/p>\n\n\n\n - Ortung und Navigation in unwirtlichen Regionen:<\/strong> GPS wird bei Forschungsexpeditionen in schwer zug\u00e4nglichen Gebieten oder Gebieten ohne Landmarken eingesetzt. Dies tr\u00e4gt dazu bei, das Wissen \u00fcber Polar- oder W\u00fcstenregionen zu vertiefen.<\/p>\n\n\n\n - Geologische und topografische Modelle:<\/strong> GPS wird von Geologen zur Untersuchung der Bewegung tektonischer Platten und zur Vorhersage von Erdbeben eingesetzt. Es ist auch ein grundlegendes Instrument f\u00fcr die Topografie, f\u00fcr Landvermessungen und f\u00fcr Forst- und Landwirtschaftsinventuren.<\/p>\n\n\n\n - Tiefbau:<\/strong> GPS wird eingesetzt, um die Verformungen gro\u00dfer Strukturen, die Belastungen ausgesetzt sind, wie Metall- oder Betonstrukturen, in Echtzeit zu \u00fcberwachen.<\/p>\n\n\n\n - Automatische Alarmsysteme:<\/strong> GPS wird in Alarmsystemen eingesetzt, die mit Sensoren verbunden sind, die den Transport von risikoreichen, umweltsch\u00e4dlichen und verderblichen Waren \u00fcberwachen. Der Alarm erm\u00f6glicht eine schnelle Hilfe f\u00fcr das Fahrzeug.<\/p>\n\n\n\n - Synchronisierung der Signale:<\/strong> Die Elektroindustrie nutzt GPS, um die Uhren ihrer \u00dcberwachungsstationen zu synchronisieren und so m\u00f6gliche St\u00f6rungen im Stromnetz zu lokalisieren.<\/p>\n\n\n\n - Orientierungshilfe f\u00fcr k\u00f6rperlich Behinderte:<\/strong> 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.<\/p>\n\n\n\n - Navigation und Kontrolle von Fahrzeugflotten:<\/strong> GPS wird von Organisationen wie der Polizei, Notdiensten, Taxizentralen, Kurierdiensten und Lieferunternehmen f\u00fcr die Routenplanung und die Steuerung von Fahrzeugflotten eingesetzt.<\/p>\n\n\n\n - Systeme der zivilen Luftfahrt:<\/strong> GPS wird in der Zivilluftfahrt zur Unterst\u00fctzung von Navigation und Landung eingesetzt. Seine Bedeutung hat zur Entwicklung von Systemen gef\u00fchrt, die die Genauigkeit des GPS verbessern sollen.<\/p>\n\n\n\n - Ununterst\u00fctzte Fahrzeugnavigation:<\/strong> GPS wird in DGPS-Systemen f\u00fcr pr\u00e4zises Man\u00f6vrieren in verkehrsreichen Gebieten, in autonomen Landfahrzeugen, f\u00fcr die \u00dcberwachung in feindlichen Umgebungen und f\u00fcr den Frachttransport eingesetzt.<\/p>\n\n\n\n Dank der hohen Pr\u00e4zision der GPS-Messungen wurden im Weltraum in niedrigen Umlaufbahnen wichtige Fortschritte erzielt. Roboter k\u00f6nnen jetzt gef\u00e4hrliche Aufgaben wie die Inspektion, Reparatur und den Zusammenbau k\u00fcnstlicher Satelliten selbst\u00e4ndig erledigen.<\/p>\n\n\n Im Jahr 1996 wurde in den Vorschriften f\u00fcr GPS-Systeme festgelegt, dass die selektive Verf\u00fcgbarkeit im Jahr 2006 abgeschafft und eine weitere Frequenz f\u00fcr die zivile Nutzung eingef\u00fchrt 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<\/a>. Dadurch wird eine Redundanz geschaffen, die es erm\u00f6glicht, ionosph\u00e4rische Fehler abzusch\u00e4tzen und eine absolute Moduspr\u00e4zision zu erreichen, die derjenigen \u00e4hnelt, die mit Differentialtechniken erzielt werden kann. Das Signal auf der L1-Frequenz wird gleich bleiben, so dass die derzeitigen Empf\u00e4nger weiterhin funktionieren k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n Das Kontrollsegment wird mit der Inbetriebnahme eines neuen Kontrollsystems f\u00fcr die Expertenstation, das sich derzeit in der Planungsphase befindet, verbessert werden. Dieses wird bis zu zwanzig \u00dcberwachungsstationen umfassen, was eine genauere Kontrolle der Ephemeriden und Satellitenuhren erm\u00f6glicht.<\/p>\n\n\n\n Die derzeitigen GPS-, GLONASS- und GPS\/GLONASS-Navigationssysteme sind jedoch nicht in der Lage, die strengen Sicherheitsstandards zu erf\u00fcllen, die f\u00fcr einige zivile Anwendungen wie die Flugnavigation erforderlich sind. Die Benachrichtigung des Nutzers \u00fcber 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.<\/p>\n\n\n\n Um diesen Nachteilen zu begegnen, entwickelt Europa derzeit EGNOS <\/a>(European Geostationary Navigation Overlay Service), das 2003 betriebsbereit sein wird. Dieses System wird die Sicherheitsstandards f\u00fcr die Flugnavigation erf\u00fcllen, 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 m\u00f6gliche Fehler gemessen wird, um ihn zu korrigieren, und erneut an 10 Bodenstationen gesendet werden. Zus\u00e4tzlich werden diese Signale an zwei neue geostation\u00e4re INMARSAT-Satelliten in 35 000 km H\u00f6he gesendet, die als Repeater fungieren und die Signale an die Nutzer weiterleiten. Sowohl die USA (WAAS: Weitbereichs-Augmentationssystem<\/a>) und Japan (MTSAS<\/a>: MTSAT Satellite-Based Augmentation System) arbeiten an \u00e4hnlichen Diensten.<\/p>\n\n\n\nBerechnung von Pseudoranges<\/h3>\n\n\n
Bodenstationen und Atomuhren<\/h3>\n\n\n
Fehlerquellen bei GPS<\/h2>\n\n\n
GPS-Anwendungen<\/strong><\/h2>\n\n\n
Die Zukunft des GPS<\/strong><\/h2>\n\n\n