Global Positioning System (GPS). Ein Überblick über die Funktionsweise

Inhaltsverzeichnis:

A. Einleitung

B. Navigation und Navigationsverfahren
1. Astronavigation
2. Terrestrische Navigation
3. Trägheitsnavigation
4. Radionavigation
4.1. Funkpeilung
4.2. NDB (Non Directional Radio Beacon)
4.3. UKW-Drehfunkfeuer / VOR
4.4. OMEGA
4.5. LORAN
5. Satellitennavigation

C. GPS-Global Positioning System
1. Entwicklung / Aufbau
1.1. GPS-Raum-Segment
1.2. GPS-Kontroll-Segment
1.3. GPS-Nutzer-Segment
2. Positionsbestimmung mit GPS
2.1. Triangulation
2.2. Abstandsberechnung
2.3. Die exakte Zeit
2.4. Satellitenposition
2.5. Datenübermittlung
3. Fehlerquellen
3.1. Atmosphäre
3.2. Geometrie und Topographie
3.3. „selective availability“
4. Differential GPS (DGPS)

D. Anwendungsmöglichkeiten
1. Zivile Nutzung
2. Militärische Anwendung
3. Geographie

E. Zusammenfassender Ausblick

F. Anhang
1. Quellennachweis
2. Abbildungsverzeichnis

A. Einleitung

Wer hat sich als Kleinkind nicht schon mal im Kaufhaus verlaufen oder musste sich in einer neuen Stadt zurechtfinden? Diese Probleme, nämlich das Zurechtfinden in einer unbekannten Umgebung oder die Suche eines bestimmten Ortes, dürfte jeder schon einmal gehabt haben. Schon seit Menschengedenken war die erfolgreiche Ortsveränderung ein Problem. Folglich musste die Navigation einen Weg finden um dieses Problem zu beseitigen. In dieser Arbeit soll nun dieser Versuch dargestellt werden, und zwar von einfachsten Lösungsansätzen bis hin zur der derzeit besten Lösung, nämlich dem Satellitennavigationssystem oder Global Posi­tioning System (GPS). Es soll der Aufbau und die Funktion des GPS dargestellt und weiterhin auch die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten desselben vor allem in der Geo­gra­phie beleuchtet werden.

B. Navigation und Navigationsverfahren

Der Begriff Navigation hat seinen Ursprung im Lateinischen: „navigare = segeln, in See ge­hen“^[1]. Der eigentliche Gebrauch dieses Wortes war daher zunächst auf die Seefahrt begrenzt. Mit der Entwicklung der Technik wurde dieser Begriff einfach auf den Landverkehr und die Luft- / Raumfahrt übernommen. Heute ist Navigation allgemein der Ausdruck für das sich Zurechtfinden im Raum, egal, ob an Land, auf See oder in der Luft. Im Zuge der technischen Revolution wurden verschiedene Arten der Navigation erfunden und auch genutzt. Hier nun eine kurze Vorstellung der wichtigsten Navigationsverfahren.

1. Astronavigation

Die Astronavigation^[2] ist eine der ältesten Art der Navigation. Sie wurde schon vor der Geburt Christi erfunden. Bei diesem Navigationsverfahren nutzt man das Vorhandensein der Gestirne am Himmel. Mit Hilfe des sogenannten Sextanten misst man den Winkel zwischen den Ge­stirnen und dem Horizont zu einer bestimmten Zeit. Unter der Zuhilfenahme eines Nach­schlagewerks (Almanach) kann man dann nach mehreren Messungen von Gestirnen seine Position bis auf eine Seemeile (1,8 km) genau bestimmen. Das Problem bei diesem Verfahren liegt aber darin, dass die Gestirne zum einen nur bei Nacht sichtbar sind und zum anderen auch nur dann, wenn man freie Sicht zum Himmel hat (wolkenlos).

2. Terrestrische Navigation

Bei der terrestrischen Navigation muss man zwei Arten unterscheiden.

Die erste ist die Älteste und Einfachste Art der Navigation. Hierbei orientiert man sich an bekannten Punkten in der Landschaft, z.B. an Kirchtürmen oder Bergen. Aus diesem Grunde ist diese Art auch lokal begrenzt und kann somit nicht für die Schifffahrt auf hoher See und den Flug eingesetzt werden.

Die zweite Art der terrestrischen Navigation ist die Zuhilfenahme von Kompass, Karte und Uhr. Mit diesen Hilfsmitteln ist es möglich bei bekannter Position auf der Karte seine Bewe­gungsrichtung festzustellen und durch Berechnung mit der Uhr oder Messung des zurückge­legten Weges (zählen der Schritte) jeden Punkt auf der Karte zu erreichen. Die Probleme hierbei liegen zum einen in der Möglichkeit der Störung des Kompasses durch äußere Ein­flüsse (Eisenlager, Magnetfelder, etc.). Zum anderen muss die Ausgangsposition auf der Karte bekannt sein um navigieren zu können.

3. Trägheitsnavigation

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Strobel 1995, S.56

Die Trägheitsnavigation^[3] ist im Prinzip eine Weiterentwicklung der terrestrischen Navigation, allerdings auf einem technisch viel höheren Niveau. Der Kompass, welcher dennoch vorhan­den ist, wird durch den sogenannten Kreisel ersetzt. Mit diesem Gerät ist eine optimale Lage­feststellung des Verkehrsmittels (meist Flugzeug) oder bei militärischer Anwendung der Ra­kete möglich, ebenso eine Richtungsangabe. Weitere Geräte, nämlich die Beschleunigungs­messer, fungieren als Wegmesser im weitesten Sinne. Mit der Beschleunigung kann über die Geschwindigkeit der zurückgelegte Weg berechnet werden. Die Daten des Kreisels und der Beschleunigungsmesser werden im Bordcomputer bearbeitet und ausgewertet, dann auf einer digitalen Karte durch die Position auf dem Bildschirm dargestellt, ebenso auf anderen Instrumentenanzeigen. Mit dieser Kombination von technischen Geräten, einer sogenannten Inertialplattform (siehe Abb.2 oben), die autonom arbeitet, war der sichere Einsatz von Langstrecken­flugzeugen gewährleistet und somit eine Ozeanüberquerung möglich.

Auch bei diesem Verfahren ergibt sich ein Problem, wenn es auch recht klein ist. Es ist zwar eine genauere Positionsbestimmung als bei der terrestrischen Navigation möglich, dennoch muss um navigieren zu können die Ausgangsposition bekannt sein.

4. Radionavigation

Die Radio- oder Funknavigation^[4] arbeitet mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen unterschiedlichster Frequenzen. Im Laufe der Zeit haben sich verschiedenste Arten dieses Navigationsverfahrens entwickelt. Teilweise werden sie heute auf Grund von Ungenauigkeit nicht mehr eingesetzt.

4.1. Funkpeilung

Die erste Art der Funkpeilung war der VHF-Transceiver. Dabei nimmt der Flughafen eine Peilung des Funksignals vor und gibt die Richtungsangabe dann über Sprechfunk an die Maschine weiter.

Die zweite Art war die Eigenpeilung mit einem Zielflug-Vorsatz-Gerät (ZVG) Dabei wird im Flugzeug die Peilung eines Funksignals vom Flughafen durchgeführt und im Flugzeug auch die Richtung angezeigt. Allerdings muss der Sender des Flughafens aktiv sein, um diese Art der Funknavigation durchführen zu können

Beide Arten der Funkpeilung hatten den Nachteil, dass weder Entfernungs- noch Positionsbestimmung möglich war. Daher werden beide nicht mehr eingesetzt.

4.2. NDB (Non Directional Radio Beacon)

Bei dieser Art der Radionavigation sendet ein Radiosender ein ungerichtetes „Funkfeuer“^[5] im Mittelwellenbereich (200-1750 kHz) aus. Die verschiedenen Sender sind in einer Karte mit Kennung eingezeichnet. Mit dem ADF-Empfänger (siehe Abb. 3) ist es nun möglich, wie bei einem Kompass, die Richtung des Funkfeuers zwischen Flugzeug und Sendestation im Bezug auf den magnetischen Nordpol zu bestimmen. Der Nachteil besteht in der Tatsache, dass durch Witterungseinflüsse die Ergebnisse verfälscht werden können und dass keine Entfernungs- und Positionsbestimmung möglich ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Strobel 1995, S.65

4.3. UKW-Drehfunkfeuer / VOR

Bei dieser Art der Funknavigation sendet eine Station zwei verschiedene Signale aus. Diese liegen im Frequenzbereich zwischen 18-118 MHz. Das erste Signal ist ein ungerichtetes (=Blitz) in alle Richtungen, das gesendet wird, wenn das zweite, ein gerichtetes Signal, in Richtung des magnetischen Nordpols zeigt. Das gerichtete Signal dreht sich mit einer Frequenz von 30 Hz um die eigene Achse. Der Empfänger im Flugzeug ist nun wie eine Uhr auf einer Kompassrose ausgelegt, die sich mit der Umlaufgeschwindigkeit des Funkfeuers dreht. Durch die Registrierung des Blitzes wird die Uhr gestartet und durch die Registrierung des gerichteten Signals gestoppt. Auf der Uhr ist nun eine Richtung (z.B. 145°) zum („to“) oder vom („from“) Signalgeber weg im Bezug auf den Nordpol angezeigt.

Eine Verbesserung dieses Verfahrens erlangt man durch das sogenannte DVOR (= Doppler-VOR). Dabei ergibt sich durch Frequenzmodulation eine genauere Richtungsangabe.

Der Nachteil bei dieser Art der Radionavigation ist wiederum das Fehlen einer Positions- und Entfernungsangabe. Zumindest die Entfernungsangabe ist aber durch die Kopplung mit dem DME (=Distance Measuring Equipment) möglich. Dabei wird von einem Sender im Flugzeug ein Signal mit 1000 MHz gesendet. Dieses wird vom VOR am Boden empfangen und mit einer anderen Frequenz zurück gesendet. Durch eine Laufzeitmessung beider Signale ist dann eine Entfernungsbestimmung möglich.

4.4. OMEGA

Bei dieser Art der Radionavigation wird auch ein Signal ausgesendet. Allerdings von 8 verschiedenen Stationen zeitlich gestaffelt und im Frequenzbereich von 10-14 kHz. Dadurch ergeben sich Hyperbeln als Standlinien. In folge dessen müssen die Phasendurchgänge bei der Überlagerung gezählt oder von einer Karte abgelesen werden. Für eine Positionsbestimmung müssen drei Stationen und zwei Hyperbelscharen im Empfangsbereich liegen. Diese Art der Funknavigation wird zum Teil noch heute in der Seefahrt eingesetzt.

4.5. LORAN

Für diese Art der Radionavigation ist die Messung der Laufzeit eines Signals die Basis für eine Entfernungsbestimmung. Es wird von acht Senderketten mit je 3-4 Sendestationen ein Signal mit 100 kHz ausgestrahlt, die durch Atomuhren gekoppelt sind. Durch Umrechnung des Ergebnisses im Computer können Ortskoordinaten berechnet werden. Dadurch ist eine sofortige Wiedergabe der Position möglich. Diese Art der Funknavigation wird sowohl in der Seefahrt als auch im Flugverkehr eingesetzt.

5. Satellitennavigation

Die Satellitennavigation ist die neueste, technische Errungenschaft in der Navigation. Mit Hilfe von Satelliten, die um die Erde kreisen, ist zum ersten mal eine dreidimensionale Positionsbestimmung möglich, ohne weiter Zusatzgeräte zu benötigen. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist die weltweite Verfügbarkeit und die geringe Beeinträchtigung durch äußere Einflüsse (Wetter, Tag und Nacht, etc.) Bei der Satellitennavigation gibt es zwei Systeme. Das erste ist das NAVSTAR-System der Vereinigten Staaten von Amerika. Dieses System ist als Global Positioning System (GPS) bekannt. Das zweite System ist das GLONASS-System der ehemaligen Sowjetunion. Es ist ähnlich aufgebaut wie das amerikanische System, findet aber bis heute eine noch nicht so große Anwendung und ist auch nicht so bekannt.

Im folgenden Text soll nun das NAVSTAR-GPS genauer erklärt werden.

C. GPS-Global Positioning System

1. Entwicklung / Aufbau

Das GPS-System wurde vom Verteidigungsministerium der Vereinigten Staaten von Amerika entwickelt. Dafür wurden mehr als 12 Billionen US$ aufgebracht. Die Entwicklung des Systems kann in drei Phasen eingeteilt werden:

- Überprüfungsphase 1974-79
- Entwicklungsphase 1979-85
- Ausbauphase 1985-93

Das GPS-System besteht allgemein aus drei Teilen: dem Raum-Segment, dem Kontroll-Segment und dem Nutzer-Segment. Diese drei Bestandteile sollen im folgenden Text näher erläutert werden.

[...]

^[1] nach Pertsch 1992, S. 257

^[2] v.a. nach Strobel 1995, S. 20

^[3] v.a. nach Strobel 1995, S 21

^[4] v.a. nach Strobel 1995, S. 62 ff.

^[5] Strobel 1995, S. 64