„GPS – Global Positioning System, eine faszinierende, neue Technologie hat das Navigieren auf dem Lande, zu Wasser und in der Luft revolutioniert.“2 stellte unter anderem Peter Bachmann in seinem Handbuch der Satellitennavigation im Jahre 1993 fest. Knapp 20 Jahre später ist das Thema GPS-Navigation nicht mehr „neu“ und „revolutionär“. Doch obwohl das Nutzen von GPS-Navigation spätestens seit der Erfolgswelle der Smartphones nahezu alltäglich geworden ist, bleibt dieses Thema und vor allem die Funktionsweise der Geräte, welche die mobile GPS-Navigation ermöglichen, für die meisten Menschen (den Autoren dieses Belegs eingeschlossen) weiterhin so faszinierend wie vor circa zwei Dekaden ein gewisser Herr Bachmann dies beschrieb. Dies ist nur einer der zahlreichen Gründe, die dafür sorgten, dass das Thema der satellitengestützten Ortung und Navigation auch in den Lehrplan aufgenommen wurde und den jungen Menschen in der Schule, welche in diesen Zeiten nahezu alle den Nutzen dieser Technologie bereits erfahren konnten, erläutert werden soll. Denn, und dies ist eine eher subjektive Ansicht des Autoren, dies macht die Schulphysik eben auch aus: Das Hinterfragen des Alltäglichen und nicht die blinde Akzeptanz der Technologien und deren Nutzen, wie sie heute vorherrscht. Die Neugier zu wecken, das Interesse zu schüren und eben nicht nur zu wissen wie etwas zu bedienen oder zu nutzen ist, sondern eben nach den generellen Prinzipien/Funktionsweisen zu fragen und diese zu ergründen zu versuchen.
Inhaltsverzeichnis
I. Einführung
I.I Einstufung des Themas in den Lehrplan
I.II Formulierung und Begründung von Leit- und Teilfragen
I.III Voraussetzungen der Schüler für das Thema
II. Fachliches/Funktionsweisen
II.I Das Global Positioning System (GPS)
II.II Das Differential-GPS (DGPS)
II.III Das Assisted-GPS (AGPS)
II.IV Inertiale Navigationssysteme (INS)
III. Anwendung auf den Unterricht
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die physikalischen Grundlagen und Funktionsweisen von modernen Navigationssystemen, mit einem speziellen Fokus auf die Herausforderungen bei der Ortung in schwierigen Umgebungen wie Tunneln. Ziel ist es, die didaktische Einbettung dieses komplexen Themas in den Physikunterricht der Sekundarstufe II zu reflektieren und Ansätze für ein schülerzentriertes Unterrichtskonzept zu entwickeln.
- Physikalische Funktionsweise des Global Positioning System (GPS)
- Fehlerquellen und Korrekturverfahren wie DGPS und AGPS
- Einsatz und Funktionsprinzipien inerter Navigationssysteme (INS)
- Didaktische Konzepte zur Vermittlung komplexer technischer Anwendungen
- Vernetzung von physikalischem Vorwissen und moderner Technologie
Auszug aus dem Buch
II.I Das Global Positioning System (GPS)
Das GPS wurde seit Anfang der siebziger Jahre vom amerikanischen Militär entwickelt. Die Amerikaner wollten einen Ortungs- und Navigationsdienst schaffen, der es ermöglicht, ihre strategischen Einsätze durchzuführen, ohne dass eine andere Nation (damals im kalten Krieg vorrangig die Sowjetunion) die Möglichkeit besitzt, ihre operierenden Einheiten zu orten. Das GPS besitzt diesen Vorteil, denn die in den Einheiten platzierten Empfänger senden, wie das Wort „Empfänger“ bereits deuten lässt, keine Signale, sondern empfangen diese lediglich und verarbeiten eben diese.
Damit ermöglicht wird, dass zu jeder Zeit, jeder Ort auf dem Planeten mittels GPS-Ortung erreichbar ist, benötigt es mindestens 24 Satelliten, welche permanent die Erde in einer Höhe von etwa 20.200m mit einer Geschwindigkeit von 3,9km/s umkreisen (siehe Abbildung 2). Diese bewegen sich, wie in Abbildung 2 angedeutet, auf sechs Bahnebenen, welche jeweils um 55° gegen die Äquatorebene inkliniert (geneigt) und um 60° gegeneinander verdreht sind. Die genaue Lage der elliptischen Bahn des Satelliten gegenüber der Äquatorialebene wird durch die Winkel Inklination und Rektaszension bestimmt.
Zusammenfassung der Kapitel
I. Einführung: Dieses Kapitel bettet das Thema Satellitennavigation in den sächsischen Lehrplan ein und begründet die Relevanz der Leitfragen für den Physikunterricht.
II. Fachliches/Funktionsweisen: Hier werden die technischen Grundlagen des GPS sowie notwendige Erweiterungen und Alternativen bei Signalproblemen, wie etwa in Tunneln, detailliert erläutert.
III. Anwendung auf den Unterricht: Das Kapitel skizziert ein methodisches Konzept zur Vermittlung der Inhalte in einem Leistungskurs, wobei der Fokus auf eigenständiger Recherche und Vernetzung von Wissen liegt.
Schlüsselwörter
GPS, Satellitennavigation, Physikdidaktik, DGPS, AGPS, Inertiale Navigationssysteme, INS, Sagnac-Effekt, Dopplereffekt, Trägheitsnavigation, Schwingquarz, Ringlaserkreisel, Kreiselkompass, Unterrichtskonzept, Relativitätstheorie
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der physikalischen Funktionsweise moderner Navigationssysteme und deren didaktischer Aufarbeitung für den Physikunterricht.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentral sind die Funktionsweise von GPS, die Fehlerkorrektur bei Signalverlust sowie alternative Methoden wie inertiale Navigationssysteme.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, Schülern ein Verständnis für die komplexen technischen Prinzipien hinter alltäglicher Navigation zu vermitteln und Wege aufzuzeigen, wie dies didaktisch reduziert im Unterricht umgesetzt werden kann.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es erfolgt eine theoretische Herleitung der physikalischen Grundlagen, ergänzt durch eine didaktische Analyse zur Unterrichtsgestaltung.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil erläutert das GPS, Korrekturverfahren wie DGPS und AGPS sowie inertiale Systeme wie Kreiselkompasse und Ringlaserkreisel.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind GPS, Trägheitsnavigation, didaktische Reduktion, Sagnac-Effekt und Interferenz.
Wie wird das Problem der Navigation in Tunneln adressiert?
Die Arbeit beschreibt, dass bei fehlendem GPS-Empfang auf alternative Systeme wie Tachometer-Kopplung oder inertiale Navigationssysteme (INS) zurückgegriffen wird.
Warum sind relativistische Korrekturen für das GPS wichtig?
Aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Satelliten und der Gravitationsunterschiede vergeht die Zeit relativistisch abweichend, was ohne Korrektur zu erheblichen Fehlern in der Positionsbestimmung führen würde.
- Quote paper
- Robert Schich (Author), 2012, Wie funktioniert ein Navigationsgerät?, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/213121
