GPS - Satellitennavigationssystem

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Historie
1.1 Geschichte der Navigation
1.2 Geschichte des GPS

2 Funktionsweise von GPS
2.1 Grundkonzeption von GPS
2.2 Segmente des GPS
2.2.1 Weltraumsegment
2.2.2 Kontrollsegment (Bodenstationen)
2.2.3 Nutzersegment
2.3 Positionsbestimmung mit GPS
2.4 GPS-Codes
2.4.1 Allgemeines zu den GPS-Signalstrukturen
2.4.2 Übertragung der Daten

3 Genauigkeit / Fehlerquellen
3.1 Allgemeine Vorbetrachtung
3.2 Fehlerquellen
3.2.1 SA-Verfälschung
3.2.2 Satellitengeometrie
3.2.3 Satellitenumlaufbahnen
3.2.4 Mehrwegeffekt
3.2.5 Atmosphärische Effekte
3.2.6 Relativitätstheorie und GPS
3.2.7 Fehler im Überblick
3.3 Genauigkeit
3.3.1 Messung der Genauigkeit
3.3.2 Differentielles GPS (DGPS)
3.3.3 Wide Area Augmentation System

4 Anwendungen von GPS
4.1 GPS in der zivilen Luftfahrt
4.2 GPS in der Seefahrt
4.3 GPS im Landverkehr
4.3.1 Allgemeine Betrachtung
4.3.2 Technische Lösungen im Straßenverkehr
4.3.2.1 Zielführungssystem
4.3.2.2 Positionsmeldesystem
4.3.2.3 Verkehrsleitsystem
4.4 GPS im Vermessungswesen
4.5 Anderweitige Anwendungsbereiche von GPS

5 Andere Navigationssysteme
5.1 GLONASS
5.2 GALILEO

6 Schlussbemerkung

Anlagenverzeichnis

Anlagen

Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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 Hawaii

Abb. 8 Schematische Darstellung eines Verschnitts zweier kreisförmiger 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 2000

Abb. 15 Positionsermittlung mit deaktivierter SA-Verfälschung am 1. Mai 2000

Abb. 16 Geometrisch günstige Anordnung von 2 Satelliten

Abb. 17 Geometrisch günstige Anordnung von 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 Einfrequenzempfängers

Abb. 22 Durch die Atmosphäre hervorgerufene Messfehler mittels eines Zweifrequenzempfängers

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

Tabellenverzeichnis

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

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

1 Historie

1.1 Geschichte der Navigation

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 Stammesverbandes beschrieben. In diese Art der Kommunikation wurde der jeweilige Erfahrungshorizont der Individuen einbezogen und zur Zielbeschreibung gefügt. Eine mögliche Wegbeschreibung könnte somit gelautet haben:^[1]

„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 ältesten 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 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 unabhängige 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 Geometrieform der 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 Meridiane 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 Genauigkeitsansprüchen 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 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 Positionierungsverfahren 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 Einrichtungen 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.

1.2 Geschichte des GPS

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 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:^[3]

- 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 Rahmen 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 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 gewählt (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 gewählt.

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 insgesamt vier Satelliten stellte die erste Ausbaustufe dar. 1980 ändert sich die Bezeichnung des Systems in GPS. Mit der Änderung der Bezeichnung erfolgte gleichzeitig die Freigabe zur teilweisen Nutzung im zivilen Bereich. Die weiteren Ausbaustufen in Verbindung mit einer Steigerung der Satellitenanzahl erstreckten sich nach anfänglichen Finanzierungsproblemen sowie 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.

2 Funktionsweise von GPS

2.1 Grundkonzeption von GPS

Die Entwicklung und Einführung des GPS stellte in der Geschichte der Ortung und speziell der Navigation einen revolutionären Baustein dar. Durch die geschaffene Qualität dieses Ortungs- und Navigationssystems kam es zu weit reichenden Veränderungen in den verschiedensten Anwendungsgebieten wie beispielsweise in der Kartographie, der See- und Luftfahrt sowie in der Raumfahrt.^[4]

An das neue System wurden im Wesentlichen drei Aufgaben gestellt. Zum einen stand selbstverständlich die Positionsbestimmung bzw. die Ortung im Vordergrund, aber auch die in Verbindung mit der Ortung von sich bewegenden Objekten stehende Bestimmung der Geschwindigkeit war ein Hauptbestandteil. Im vorhergehenden Abschnitt wurde die akribische Zeitmessung als Anforderung an das System beschrieben und somit stellte die Zeitinformationsgewinnung die dritte Hauptaufgabe dar.

Das Prinzip der Ortung und der Navigation beruht einzig auf der Entfernungsmessung zwischen dem zu ortenden Körper und mehreren Satelliten. Die Restriktion, rund um die Uhr an jedem Punkt auf der Erde eine genaue Positionierung durchführen zu können, setzt voraus, dass mindestens vier GPS-Satelliten jederzeit und überall auf dem Globus sichtbar sind. Um diese Abdeckung zu gewährleisten, erfolgte die Planung mit 24 Trabanten. Die Bahnhöhe dieser Himmelskörper wurde auf 20.200 km festgelegt. Die
24 ständig aktiven Satelliten werden als Block II-Typen bezeichnet, welche im Kapitel 2.2.1 noch detaillierter beschrieben werden.

Ein Problem bestand darin, dass bei ungünstigen meteorologischen Verhältnissen auf der Erde es zu einer teilweisen Abschattung der vier zwingend erforderlichen Satelliten kommen konnte. Um die Verfügbarkeit sowie die Qualität der Positionsbestimmung zu sichern und zu erhöhen, befinden sich heute bereits 32 Satelliten auf einem der sechs Kreisorbitale. Die Anzahl setzt sich aus den Aktiv- und den Reservesatelliten, welche sich kontinuierlich erhöht haben, zusammen. Wurde zu Beginn der 90er Jahre noch eine Mindestreserve von drei Trabanten vorgehalten, so hat sich bis in die heutige Zeit die Menge auf acht erhöht. Mit dieser Anzahl besteht eine durchschnittliche Verfügbarkeit von acht bis zehn Satelliten. Damit ist die Disponibilität von Trabanten mit ausreichender Signalqualität zur Bestimmung der Position gewährleistet und eine zuverlässige Messung der geographischen Breite, Länge, und Höhe ständig möglich. Gleichbedingt durch die Steigerung der Satellitenanzahl wurde das Risiko von eventuellen Ausfällen und Störungen auf ein Minimum reduziert. Zusätzliche positive Effekte für die Sicherheit der Verfügbarkeit der Positionsbestimmung zeigten sich durch die ständige technische Entwicklung im Bereich der Raumfahrt.

2.2 Segmente des GPS

2.2.1 Weltraumsegment

Dieser Teil des Global Positioning Systems besteht aus mindestens 24 Satelliten. Im Laufe der Geschichte dieses Navigationssystems wurden insgesamt fünf Entwicklungsschritte im Bezug auf die eingesetzten Trabanten vollzogen. Es entstanden Typen von Block I, Block II, Block IIA, Block IIR und Block IIF Satelliten.^[5]

Der erste Satellit vom Typ Block I wurde bereits 1978 in seine Umlaufbahn gebracht. In den folgenden Jahren wurden bis 1985 von Kalifornien aus weitere 10 Satelliten gleichen Typs in den Orbit befördert.

Die ersten zwei Satelliten wurden am 22.02.1978 bzw. am 13.05.1978 mit einer Atlas F–Rakete in die Umlaufbahn gebracht. Diese Prototypen von der Firma Rockwell Space Systems hießen Navstar 1 bzw. Navstar 2 und dienten zur Erprobung des Systems. Die zu übermittelnden Daten waren auch für zivile Nutzer zugänglich. Mit der Installation dieser zwei
Erdtrabanten wurde die erste Generation des GPS, das Navigational Development Satellite System, ins Leben gerufen.

Die Block I Satelliten hatten eine Masse von 163 kg bis 770 kg und wurden mit der Energie von zwei Solarsegeln mit einer Spannweite von 5,2 Meter angetrieben. Diese erzeugten eine Leistung von 400 W. Um die Block I Satelliten auf einer Umlaufbahn von 20.200 km zu halten, wurden Hydrazin betriebene Triebwerke eingesetzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1 Block I Satellit^[6]

Die Lebensdauer der Trabanten dieses Typs war auf cirka fünf Jahre konzipiert. Die tatsächliche Lebensdauer ist jedoch mit dem Alter von zehn Jahren zu beziffern. Ein Satellit erreichte sogar ein Alter von 13 Jahren. Dennoch wurde 18 Jahre nach dem Start des ersten Satelliten der Letzte vom Typ Block I abgeschaltet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 Block II Satellit^[7]

Die Block II Satelliten sind ebenfalls von Rockwell Space Systems hergestellt und haben eine Lebensdauer von 7,5 Jahren. Sie wurden erstmals 1989 mit einer Delta-Rakete von Cape Canaveral in die Erdumlaufbahn befördert. Diese Bauart hat ein Gewicht von 1665 kg und eine Spannweite von 5,1 Meter. Im Vergleich zu dem Typ Block I haben die Solarsegel eine gesteigerte Leistung von 750 W, wobei der Antrieb zur Umlaufbahnkorrektur gleichgeblieben ist.

Insgesamt wurden bis 1996 neun Trabanten vom Typ Block II und von
1990 bis 1996 starteten 18 vom Typ Block IIA. Diese Block II Satelliten befinden sich in der gleichen Höhe über der Erde wie ihre Vorgänger, einzig ihre Konstellation hat sich geringfügig geändert. Die einzelnen sechs Umlaufbahnen sind 55° gegeneinander und 60° gegen den Äquator ausgerichtet. Da jeder der sechs verschiedenen Satellitenkreisbahnen mit mindestens vier Satelliten besetzt ist, ergibt sich, dass jeder Trabant 90° geographischer Breite gegen seinen Vor- bzw. Nachläufer versetzt ist. Mit dieser Satellitenlage ist eine lückenlose Erfassung durch den GPS-Nutzer gewährleistet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3 Cäsium Atomuhr^[8]

Die Block II und IIA Satelliten besitzen außerdem jeweils zwei Rubidium und zwei Cäsium Atomuhren mit einer Uhrenstabilität von mindestens 10 –13 s. Aus der Grundfrequenz der Atomuhren von 10,23 MHz leiten sich alle anderen benötigten Frequenzen ab. Warum diese sehr genaue Funktionsweise der Satelliten notwendig ist, wird im Kapitel 2.3 näher erläutert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4 Block IIR Satellit^[9]

Eine weitere Ausbaustufe der Block II Satelliten ist der Typ IIR. Dieser unterscheidet sich lediglich durch eine noch genauere Zeitmessung, die mit dem Einsatz von Wasserstoffmaser erreicht wird, von dem Vorgängermodell. Die ersten Trabanten dieses Typs wurden im März 1996 in ihre Umlaufbahn befördert. Außerdem besitzen die Satelliten dieser Generation neben der reinen GPS-Funktion andere, ausschließlich vom Militär der USA verwendete Fähigkeiten. Beispielsweise besteht die Möglichkeit der Aufzeichnung von Atomexplosionen mittels Sensoren.

Die Abstrahlungsleistung von den Satelliten der neusten Generation beträgt lediglich 50 W. Das ist im Vergleich halb so viel wie die Abstrahlleistung von ASTRA-Fernsehsatelliten. Ein weiterer Unterschied ist die Größe der Empfangseinheiten. Um Fernsehprogramme störungsfrei empfangen zu können, ist es notwendig, eine cirka 50 cm große Parabolantenne einzusetzen. Die GPS-Empfänger besitzen vergleichsweise kleine Receivereinheiten von wenigen Zentimetern Größe. Der deutlichste Unterschied zwischen Fernseh- und GPS-Satelliten und Empfangsmodulen liegt in der geringeren Datenübertragung bei GPS.

2.2.2 Kontrollsegment (Bodenstationen)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5 Weltweite Stationen von GPS^[10]

Die Kontrolle über das GPS-System liegt vollständig in der Hand der
US-Armee. Zur Überwachung der Satelliten dienen eine "Master Control Station" sowie weitere vier Monitorstationen auf Hawaii, den Ascension Islands, Diego Garcia und Kwajalein. Die Verteilung dieser Stationen wird in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6 Schriever Air Force Base (Master

Control Station)^[11]

Die "Master Control Station" befindet sich in der Schriever Air Force Base, welche unweit von Colorado Springs im Herzen der Vereinigten Staaten liegt. Das so genannte "50th Space Wing’s 2nd Space Operations Squadron" ist für den Betrieb des GPS Systems verantwortlich.

Hier werden die Daten der Monitorstationen 24 Stunden am Tag in Echtzeit ausgewertet und Informationen über die Bahnen der Satelliten gewonnen. Auf diese Weise können eventuelle Fehlfunktionen schnell festgestellt werden. Aus den Informationen werden zusätzlich neue Ephemeridendaten berechnet. Ein- bis zweimal pro Tag werden die bearbeiteten Daten zusammen mit anderen Signalen, welche Kommandos für die Satelliten enthalten, über Sendeantennen bestimmter Monitorstationen an die Trabanten zurückgesandt. Die Satelliten des Blocks IIR sind weiterhin in der Lage, Signale mit anderen GPS-Satelliten auszutauschen und können somit ihre Bahndaten selbst korrigieren. Dadurch besitzen diese die Fähigkeit, 180 Tage ohne jegliche Verbindung mit den Bodenstationen ihre Bahn zu halten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 7 GPS Monitorstation auf Hawaii^[12]

Die vorhandenen Monitorstationen sind GPS-Empfangseinheiten. Sie verfolgen alle im Sichtbereich befindlichen Trabanten und empfangen dadurch ausgestrahlte Messdaten. Diese werden dann zur Auswertung und weiteren Bearbeitung an die „Master Control Station“ gesendet.

2.2.3 Nutzersegment

Das dritte Segment des GPS ist das Nutzersegment, welches die Gesamtheit der verschiedensten GPS-Empfänger darstellt. Bei den heutigen GPS-Empfängern erfolgt die Unterscheidung im Wesentlichen nach der Architektur, der Funktionsweise oder der Anwendung der Geräte. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die Nutzer von GPS-Empfangseinheiten mit den mannigfaltigsten Zielstellungen zu unterteilen. Zum einen erfolgt die Einteilung nach den vom System zur Verfügung gestellten Informationen und Messergebnissen (siehe Anlage 1, Tabelle 1) und zum anderen stellt die potentielle Genauigkeit ein Unterscheidungskriterium dar (siehe Anlage 2, Tabelle 2).

Abschließend ist zu erwähnen, dass die rasante Entwicklung von GPS-Empfängern zunehmend auf spezifische Kundenwünsche eingeht und es kaum noch Anforderungen gibt, die nicht erfüllt werden können.

2.3 Positionsbestimmung mit GPS

In der heutigen Zeit hat nahezu jeder Mensch schon einmal in irgendeiner Art und Weise die Positionsbestimmung mittels GPS benutzt. Dennoch können die Wenigsten den genauen Ablauf dieses Verfahrens der Positionierung beschreiben. In diesem Abschnitt soll auf eine relativ einfache Weise dieser Ablauf erläutert werden.^[13]

Prinzipiell ist voranzustellen, dass die Positionsbestimmung auf der Ermittlung von Distanzen zwischen den sich im Weltraum befindlichen Satelliten und der GPS-Empfangseinheit basiert. Satelliten senden ständig Signale mit Informationen beispielsweise über ihre derzeitige Position und die Stellung der anderen Satelliten. Diese Almanach- oder Bahndaten werden im GPS-Empfänger gespeichert und für spätere Berechnungen verwendet. Zusätzlich zu diesen Almanachdaten wird eine exakte Zeitangabe zum Absendezeitpunkt der Information gegeben. Um den Standpunkt zu ermitteln, vergleicht die GPS-Empfangseinheit den im Satellitensignal enthaltenen Absendezeitpunkt mit der Zeit, zu welcher das Signal empfangen wurde. Anschließend bestimmt der Empfänger die Zeitdifferenz und kann so die Distanz zu dem Satelliten bestimmen.

Bei der bisherigen Betrachtung eines einzelnen Satelliten kann von einer Positionsbestimmung noch keine Rede sein. Da der Trabant mit den ausgesendeten Signalen eine kreisförmige Linie beschreibt, kann davon ausgegangen werden, dass sich der Empfänger auf einem Punkt dieser Linie befindet. Um die Position exakter bestimmen zu können, wird simultan ein Signal eines zweiten Satelliten empfangen. Dieses Signal beschreibt ebenfalls eine kreisähnliche Linie und es bilden sich zwei Schnittpunkte. Diese Kreuzungspunkte beschränken die möglichen Standpunkte des GPS-Empfängers auf zwei Varianten (Abbildung 8).

Die endgültige Positionierung des Empfängers kommt nun durch die Einbindung der Signale des dritten Satelliten. Somit entsteht letztlich ein Schnittpunkt, welcher zugleich den Standort des GPS-Empfängers darstellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 8 Schematische Darstellung eines

Verschnitts zweier kreisförmiger

GPS-Standlinien^[14]

Bei den vorangegangenen Beschreibungen ist davon auszugehen, dass für eine exakte Positionsbestimmung drei Satelliten erforderlich sind. Dies wäre auch der Fall, wenn die Uhren der Satelliten und der Empfänger synchron und mit hoher Genauigkeit laufen würden. Im Gegensatz zu den Satelliten, welche die Zeit mit Atomuhren bestimmen (siehe Kapitel 2.2.1), besitzen beinahe alle Empfänger Quarzuhren, die im Gegensatz zu Atomuhren nur eine sehr ungenaue Zeitmessung zulassen.

Um eine Vorstellung über mögliche Abweichungen zu entwickeln, ist zu beachten, dass die Entfernung von den Satellitensignalen bis zur Erdoberfläche bei Lichtgeschwindigkeit in cirka 0,07 s zurückgelegt wird. Somit ergibt sich bei einem Zeitunterschied der Uhren von 1/100 s ein Entfernungsfehler von 3000 km.

Dieses Rechenbeispiel macht deutlich, welche Forderungen an die Uhren der Empfänger und der Satelliten gestellt werden. Um die Genauigkeit der Positionierung bis auf zehn Meter zu beschränken, ist es erforderlich, den Unterschied der Uhrzeiten auf 0,00000003 s einzugrenzen. Um diese Genauigkeit zu erreichen, müssten in allen GPS-Empfängern Atomuhren zum Einsatz gebracht werden, was aber diese Geräte finanziell unerschwinglich machen würde. Um die Forderung nach Exaktheit zu erfüllen, ergibt sich die Notwendigkeit des Empfanges der Signale eines vierten Satelliten. Durch die Entfernungsmessung zu diesem Trabanten können Zeitabweichungen eliminiert und entstehende Messfehler ausgeschlossen werden. Diese Korrektur der Laufzeit der Satellitensignale soll im Folgenden durch ein Beispiel erläutert werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 9 2D Positionsbestimmung^[15]

In der Erklärung sind zur Verdeutlichung sehr hohe Werte für die Laufzeiten der Satellitensignale ge-wählt worden. In Abbildung 9 ist zu erkennen, dass die Laufzeit der Sa-tellitensignale 4, 5 bzw. 6 s beträgt. Mit den Erläu-terungen zur Positionsbestimmung am Anfang des Kapitels wäre der Stand-punkt des Empfängers im Punkt A. In der Praxis kommt es jedoch zu den bereits erwähnten Zeitun-terschieden. Im Beispiel wird eine Abweichung der Empfängeruhr von 0,5 s im Gegensatz zur Atomuhr im Trabanten angenommen, wodurch die Laufzeit der Signale sich um 0,5 s verlängert und somit auch eine größere kreisförmige Linie beschrieben wird. Durch diese Ungenauigkeit entstehen drei Schnittpunkte B, auf denen sich der Empfänger befinden könnte. Diese Entfernungen mit der Zeitabweichung werden in der Fachliteratur als Pseudoranges oder Pseudoentfernungen bezeichnet. Zur Umwandlung dieser Pseudoentfernungen in echte Entfernungsangaben ist der vierte Satellit erforderlich, welcher für die Verschiebung der Zeit der Empfängeruhr verantwortlich ist. Der Trabant korrigiert den Uhrenfehler und verschiebt somit die kreisförmige Standlinien der Signale solange, bis sich die drei Schnittpunkte B in einem Schnittpunkt A vereinen. Nach dieser Verschiebung stimmt die Zeit der GPS-Empfängeruhr exakt mit der Zeit der Atomuhren überein. Daraus folgen die Bestimmung der echten Entfernungen und somit auch die exakte Positionierung des Empfängers.

Zusammenfassend lässt sich noch einmal erläutern, dass die Positionierung über die Berechnung der Signallaufzeiten bestimmt wird. Dabei steigt die Genauigkeit der Positionsbestimmung des Empfängers mit der Anzahl der simultan zu messenden Signalquellen.

[...]

---

^[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

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

^[4] vgl. Mansfeld, W. (1998), S. 113 ff,
vgl. elektronik industrie (2002), S. 34-35

^[5] vgl. Mansfeld, W. (1998), S. 116 ff,
vgl. http://www.marko-wolf.de/files/gps.pdf, 19.04.2004,
vgl. Seeber, G. (1996), S. 17 ff

^[6] http://samadhi.jpl.nasa.gov/msl/QuickLooks/gps1QL.html, Stand: 31.05.2004

^[7] http://samadhi.jpl.nasa.gov/msl/QuickLooks/gps2QL.html, Stand: 31.05.2004

^[8] vgl. http://www.kowoma.de/gps/, 19.04.2004

^[9] vgl. http://www.kowoma.de/gps/, 19.04.2004

^[10] vgl. http://www.kowoma.de/gps/, 19.04.2004

^[11] vgl. http://www.kowoma.de/gps/, 19.04.2004

^[12] vgl. http://www.kowoma.de/gps/, 19.04.2004

^[13] vgl. http://www.marko-wolf.de/files/gps.pdf, 19.04.2004,

vgl. http://www.kowoma.de/gps/, 19.04.2004

^[14] vgl. http://www.marko-wolf.de/files/gps.pdf, 19.04.2004

^[15] vgl. http://www.kowoma.de/gps/, 19.04.2004