Inhaltsverzeichnis

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Inhaltsverzeichnis   I

Abk  ürzungsverzeichnis  III

Abbildungsverzeichnis   V

Tabellenverzeichnis VII   

1  Historie.  1

1.1  Geschichte der Navigation.  1

1.2  Geschichte des GPS  3

2  Funktionsweise von GPS  7

2.1  Grundkonzeption von GPS  7

2.2  Segmente des GPS  8

2.2.1  Weltraumsegment  8

2.2.2  Kontrollsegment (Bodenstationen)  11

2.2.3  Nutzersegment  12

2.3  Positionsbestimmung mit GPS  13

2.4  GPS-Codes.  16

2.4.1  Allgemeines zu den GPS-Signalstrukturen  16

2.4.2  Übertragung der Daten  18

3  Genauigkeit / Fehlerquellen.  21

3.1  Allgemeine Vorbetrachtung.  21

3.2  Fehlerquellen  22

3.2.1  SA-Verfälschung  22

3.2.2  Satellitengeometrie  23

3.2.3  Satellitenumlaufbahnen  26

3.2.4  Mehrwegeffekt.  27

3.2.5  Atmosphärische Effekte.  27

3.2.6  Relativitätstheorie und GPS.  30

Beleg  Verkehrlogistik Seite  I

3.2.7  Fehler im Überblick  31

3.3  Genauigkeit  32

3.3.1  Messung der Genauigkeit  32

3.3.2  Differentielles GPS (DGPS)  33

3.3.3  Wide Area Augmentation System  35

4  Anwendungen von GPS  37

4.1  GPS in der zivilen Luftfahrt  37

4.2  GPS in der Seefahrt  38

4.3  GPS im Landverkehr  39

4.3.1  Allgemeine Betrachtung  39

4.3.2  Technische Lösungen im Straßenverkehr.  40

4.3.2.1  Zielführungssystem.  40

4.3.2.2  Positionsmeldesystem.  41

4.3.2.3  Verkehrsleitsystem  41

4.4  GPS im Vermessungswesen.  42

4.5  Anderweitige Anwendungsbereiche von GPS.  42

5  Andere Navigationssysteme  44

5.1  GLONASS  44

5.2  GALILEO  44

6  Schlussbemerkung  46

Anlagenverzeichnis   47

Anlagen   48

Literaturverzeichnis   51

Beleg  Verkehrlogistik Seite  II

Abkürzungsverzeichnis

A Advanced AFB Air Force Base AS Anti Spoofing AM Amplitudenmodulation C/A Coarse Aquisition DGPS Differential- GPS EGNOS European Geostationary Navigation Overlay Service ESA European Space Agency FAA Federal Aviation Agency FM Frequenzmodulation GLONASS Global Navigation Satellite System (Russische Definition) GPS Global Postioning System Hz Hertz MASA Multifunctional Satellite Augmentation System NAVSTAR Navigation System with Time and Ranging NNSS Navy Navigation Satellite System ÖPNV öffentlicher Personennahverkehr PM Phasenmodulation PPS Precision Positioning Code PRN Pseudo Random Code R Replenishment RDS Radio Data System s Sekunde SA Selective Availability SPS Standard Positioning Code UKW Ultrakurzwelle W Watt WAAS Wide Area Augmentation System

Beleg Verkehrlogistik Seite III

Abbildungsverzeichnis   

Abb.  1 Block I Satellit  

Abb.  2 Block II Satellit  

Abb.  3 Cäsium Atomuhr  

Abb.  4 Block IIR Satellit  

Abb.  5 Weltweite Stationen von GPS  

Abb.  6 Schriever Air Force Base  

Abb.  7 GPS Monitorstation auf  

Abb.  8 Schematische Darstellung eines Verschnitts zweier  

kreisf  örmiger GPS-Standlinien  

Abb.  9 2D Positionsbestimmung  

Abb.  10 Amplitudenmodulation eines Datensignals auf einen Träger  

Abb.  11 Frequenzmodulation eines Datensignals auf einen Träger  

Abb.  12 Phasenmodulation eines Datensignals auf einen Träger  

Abb.  13 Zusammensetzung der Signale der GPS Satelliten  

Abb.  14 Positionsermittlung mit aktivierter SA-Verfälschung  

am  1. Mai  

Abb.  15 Positionsermittlung mit deaktivierter SA-Verfälschung  

am  1. Mai  

Abb.  16 Geometrisch günstige Anordnung von 2 Satelliten  

Abb.  17 Geometrisch günstige Anordnung vo n 2 Satelliten  

Abb.  18 Gemessener Höhenfehler in der Antarktis  

Abb.  19 Gemessener Höhenfehler in Wuhan  

Abb.  20 Schematisch dargestellter Mehrwegeffekt  

Abb.  21 Durch die Atmosphäre hervorgerufene Messfehler mittels eines  

Einfrequenzempf  ängers  

Abb.  22 Durch die Atmosphäre hervorgerufene Messfehler mittels eines  

Zweifrequenzempf  ängers  

Abb.  23 Schematische Darstellung der atmosphärischen Auswirkungen  

auf  die GPS-Signale  

Abb.  24 Garmin s Messskala  

Abb.  25 Darstellung über die Segmente von DGPS  

Abb.  26 Funktionsschema eines Zielführungssystems  

Abb.  27 Funktionsschema eines Verkehrsleitsystems  

Beleg  Verkehrlogistik Seite  

Tabellenverzeichnis

Tab. 1 Nutzer-Einteilung nach Art der von GPS gelieferten Informationen

Tab. 2 Einteilung der Nutzer von GPS nach Genauigkeitskriterien

Tab. 3 Bilanz aller auftretenden Fehler bei der Messung mit GPS

Tab. 4 Funktechnische Einrichtung zur Übertragung der Korrekturdaten bei DGPS

Tab. 5 Anforderungen an die Genauigkeit und Verfügbarkeit in der Schifffahrt

Beleg Verkehrlogistik Seite V

1 Historie

Geschichte der Navigation 1 1.1

Wo bin ich, wo ist mein Ziel und wie komme ich am schnellsten dort hin? Diese Fragen beschreiben ein Problem, welches seit Menschengedenken eine Herausforderung innerhalb der unterschiedlichen Zivilisationskreise darstellt. Schon in Frühphasen der menschlichen Evolution wurden wichtige Orte, zum Beispiel Wasserstellen, Jagd- und Weidegründe, verbal, mittels Handzeichen oder durch einfache Skizzen für Mitglieder des Stammesver-bandes beschrieben. In diese Art der Kommunikation wurde der jeweilige Erfahr ungshorizont der Individuen einbezogen und zur Zielbeschreibung gefügt. Eine mögliche Wegbeschreibung könnte somit gela utet haben:

„Folge dem Flusslauf bis an eine Baumgruppe. Von dort steigst du den Berg rechterhand hinauf, bis zur Felskuppe. Dort findest du die Quelle unterhalb des höchsten Baumes.“ 2

In der heutigen Zeit ist solch eine Start-Ziel- Beschreibung aufgrund der komplexen Umwelt sehr viel umfangreicher. Aber auch wir stützen uns bei der Wegerklärung auf markante Punkte, wie zum Beispiel Gebäude oder Straßenkreuzungen.

Durch die ständige Entwicklung der Menschheit, verbunden mit der Erforschung von unbekannten Regionen, wurden einfache Wegskizzen durch Kartenwerke ersetzt. Eine der ält esten Weltkarten zeigt um cirka 2600 v. Chr. das babylonische Reich durchschnitten von Euphrat und Tigris mit angrenzenden Königreichen sowie dem allumfassenden Ozean.

Im weiteren Verlauf der Geschichte wurde die kartographische Beschreibung durch politische Interessen und wirtschaftliche Beziehungen in der Antike vorangetrieben. Dabei bestand die Möglichkeit, sich an fixen Punkten auf dem Festland für die zu beschreibenden Wegstrecken und Handelsrouten zu orientieren. Mit Beginn der Seefahrt mussten neue Wege auf dem Gebiet der Navigation beschritten werden. Aus diesen

¹ vgl. http://www.marko-wolf.de/files/gps.pdf, 19.04.2004

² http://www.marko-wolf.de/files/gps.pdf, 19.04.2004

Beleg Verkehrlogistik Seite 1

Anforderungen entwickelten sich neue Bereiche der Wissenschaft. Es war erforderlich geworden, sich an den Gestirnen, an der Windrichtung und an einer groben Zeitmessung zu orientieren. Da in der frühen Seefahrt noch weitestgehend in Küstennähe gefahren wurde, waren natürliche aber auch künstliche Landmarken wie Leuchttürme besonders wichtig.

Der Einsatz eines Magnetkompasses ist nachweislich auf das Jahr 1190 zurückzuführen. Mit der Ära der „großen europäischen Entdeckungen“ im 13. bis 15. Jahrhundert stiegen die Anforderungen an Instrumente zur Positionsbestimmung sowie an Hilfsmittel zur Navigation. Durch Fahrten über die Weiten des Ozeans mussten somit allgemeingültige und unabhä ngige geometrische Bezugspunkte geschaffen werden, an denen Berechnungen zur Positionsbestimmung festgemacht werden konnten. Die Entdeckungsfahrten von Columbus revolutionierten die Kartengestaltung in hohem Maße. Durch die Erkenntnis über die Geome trieform d er Erde konnte die Kugelform auf die kartographische Beschreibung Einfluss nehmen und die Begriffe geographische Länge und Breite fanden erstmalig ihre Anwendung.

Im 18. Jahrhundert wurden durch den Aufstieg Englands zur Seeweltmacht neue Maßstäbe im Bereich der Navigation gesetzt. Neben vielfältigen Neu-und Weiterentwicklungen von Navigationsinstrumenten erfolgte 1884 die Definition des ersten weltweit gültigen Bezugssystems für die Positionsbestimmung in der Seeschifffahrt. Der Globus wurde in ein 360° - Gitternetz eingeteilt. Der 0° - Längenkreises (Meridian) dieses Gitternetzes verläuft unmittelbar durch das Observatorium in Greenwich und wurde willkürlich festgelegt. Die Breitenkreise wurden in Verbindung mit dem Äquator, welcher sich im symmetrischen Abstand zu den Polen befindet und die Merid iane halbiert, definiert. Diese verlaufen parallel zum Äquator und besitzen nördlich und südlich die Spanne zwischen 0° und 90°.

Mit Beginn des Raumfahrtzeitalters in den 60er Jahren und stetig wachsenden Genauigk eitsansprüchen für die Positionsbestimmung bekam die Entwicklung von extraterrestrischen Positionierungssystemen kontinuierlich eine stärkere Bedeutung. Diese Systeme bestimmen die Punktposition auf der Erdoberfläche mit Hilfe von physikalischen Messmethoden. Das Hauptziel bestand darin, eine Positionierung an jedem beliebigen Ort der

Beleg Verkehrlogistik Seite 2

Erde zu ermöglichen. Als Träger der Information wurde das elektromagnetische Spektrum gewählt. Bereits im Verlauf des zweiten Weltkrieges wuchs die Bedeutung der vom Wetter unabhängigen Navigation von Flugzeugen. Neben der Nutzung des Mikrowellenbereiches im elektromagnetischen Spektrum zur Positionierung mit Hilfe von Radarpeilsendern waren dennoch Landkarten und detaillierte Kenntnisse über den Standort der Sendestation für die Besatzung des Flugzeuges notwendig, um ein genaue Lagebestimmung durchzuführen.

Für die Ortung und Steuerung der alliierten Flugzeuge im europäischen Luftraum war es von enormer Bedeutung, die global einsetzbaren Positionierungsverfa hren kontinuierlich zu optimieren. „HIRAN“ stellte 1940 das erste System zur teilglobalen Positionsbestimmung mit Hilfe von Radiowellen bzw. Mikrowellen dar. In den Jahren nach Kriegsende lag das Hauptaugenmerk weiter auf den Radarsystemen. Diese senden Signale im Mikrowellenbereich zu den speziellen Reflexionssatelliten und errechnen unter Beachtung der Laufzeitveränderung des zurückgestrahlten Signals die jeweilige Position. Die meisten Radarsysteme waren militärische Einric htungen und wiesen eine gleichartige Funktionalität auf.

Zu Beginn der 60er Jahre entwickelten Mitarbeiter der John Hopkins University das „US Navy Navigation Satellite System“ für den militärischen Bereich. Dieses System wurde im Verlauf der Jahre in „TRANSIT“ umbenannt und stellt den Ursprung des GPS-Positionierungssystems dar. „NNSS“ bzw. „TRANSIT“ wurde seit 1967 teilweise im zivilen Bereich erprobt und kam bis zum Ende der 80er Jahre beim Militär zum Einsatz.

Geschichte des GPS 3 1.2

Die Entwicklung eines Satellitennavigationssystems wurde 1973 vom amerikanischen Verteidigungsministerium (Department of Defense) beschlossen. Basierend auf den drei Positionierungssystemen TRANSIT, TIMATION sowie 621B der U.S. Air Force und der U.S. Navy sollte das System eine Positionsbestimmung von ruhenden Objekten oder von sich

³ vgl. http://www.marko-wolf.de/files/gps.pdf, 19.04.2004,

vgl. http://www.kowoma.de/gps/, 19.04.2004 Beleg Verkehrlogistik Seite 3

bewegenden Körpern ermöglichen, um eine hohe Genauigkeit bei der weltweiten Navigation zu gewährleisten. Gleichzeitig sollte eine präzise Zeitinformation übermittelt werden. Eine weitere Restriktion war die Darstellung der Ergebnisse in Echtzeit, d.h. die Ergebnisse sollten unmittelbar nach der Messung zur Verfügung stehen. Weiterhin wurde die uneingeschränkte Nutzung des Systems an jedem Ort der Erde und im erdnahen Raum, zu jeder Zeit sowie unter beliebigen meteorologischen Verhältnissen als Anforderung definiert. Zusammenfassend lassen sich stichpunktartig folgende wichtige Anforderungen benennen:

• dreidimensionale Positionsbestimmung auf der Erde ohne Zeitverzögerung von ruhenden und bewegten Objekten

• Berechnung der Geschwindigkeit von sich bewegenden Objekten

• Übermittlung einer präzisen Zeitinformation und einer Genauigkeit von 10 ns

• unbegrenzte Nutzeranzahl bei gleichzeitiger Anwendung

• Unabhängigkeit gegenüber jeglichen meteorologischen Bedingungen

• hohe Sicherheit gegenüber Störungen

• hohe Genauigkeit der Ortung mit einem durchschnittlichen quadratischen Fehler von 30 m

• hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Geschwindigkeit mit einem durchschnittlichen quadratischen Fehler von 0,3 m/s

• Zeitbedarf für die erstmalige Positionsbestimmung bis zu einigen Minuten, für anschließende Bestimmungen weniger als 30 s

Das amerikanische Verteidigungsministerium definierte weiterhin einen Ra hmen in Bezug auf den Sende- und Empfangsbereich, die Satellitenbahn sowie hinsichtlich der Signalform.

• Sende- und Empfangsbereich

Zur Positionsbestimmung mit hoher Genauigkeit ist es notwendig, die funktechnischen Ortungsinformationen mittels großer Bandbreiten zu übermitteln. Eben genannte Übertragungsbandbreiten

Beleg Verkehrlogistik Seite 4

stehen einzig im Frequenzbereich über 1 GHz zur Verfügung. Weiterhin ist der Frequenzbereich für die Antennendimensionierung sowie die Form der Strahlungscharakteristik bei gegebenen Antennenabmessungen maßgebend. Eine ebenfalls günstige Alternative ist dabei der Frequenzbereich weit oberhalb von 1 GHz. In Verbindung ist jedoch die zunehmende Dämpfung im Ausbreitungsweg der elektromagnetischen Welle zu beachten. Als letztlich optimal bestimmter Bereich für die Funkverbindung wurde die Übertragungsfrequenz L -Band mit einer Frequenz von 1 bis 2 GHz g ewählt (siehe Kapitel 2.4).

• Satellitenbahn

Für die Auswahl der Satellitenbahn war die Restriktion über die uneingeschränkte und weltweite Nutzung entscheidend. Um die globale Anwendung zu garantieren, entwickelten die Verantwortlichen ein aus mehreren Satelliten bestehendes Konzept. Diese Trabanten sollten die Erde in einer ungefähren Höhe von 20.000 km umkreisen.

• Signalform

Die Empfängereingangsleistung beträgt aufgrund der großen Entfernung zwischen den Satelliten und den Empfängern nur etwa 50 W. Da bei dem Verhältnis zwischen der Störbarkeit und der Empfängerleistung eine umgekehrte Proportionalität besteht, wurde für die Übermittlung der Ortungsinformationen eine weitgehend störsichere Signalform in Gestalt einer codierten Impulsfolge g ewählt.

Diese bisherig genannten Anforderungen und Festlegungen wurden berücksichtigt und es entstand das System NAVSTAR. Der erste Satellit (Block I Satellit) wurde am 27. Juni 1977 in den Orbit der Erde gebracht und ab 1978 von der U.S. Air Force getestet. Diese Erprobung mit insge-samt vier Satelliten stellte die erste Ausbaustufe dar. 1980 ändert sich die Bezeichnung des Systems in GPS. Mit der Änderung der Be zeichnung erfolgte gleichzeitig die Freigabe zur teilweisen Nutzung im zivilen Bereich. Die weiteren Ausbaustufen in Verbindung mit einer Steigerung der Satelli-tena nzahl erstreckten sich nach anfänglichen Finanzierungsproblemen sowie Beleg Verkehrlogistik Seite 5

einigen Rückschlägen über ein gesamtes Jahrzehnt. 1992 waren bereits 24 Satelliten in der Erdumlaufbahn. Damit war die globale Abdeckung gewährleistet und es wurde die vollständige Nutzung des Systems erreicht. Am 20.03.2004 kam es zu einem Jubiläum, in dem der 50. GPS-Satellit erfolgreich in die Satellitenkreisbahn gebracht wurde.

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