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: „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...
Inhaltsverzeichnis
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
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit gibt einen umfassenden Überblick über das Global Positioning System (GPS), von seiner geschichtlichen Entwicklung über die technische Funktionsweise bis hin zu vielfältigen Anwendungsbereichen und Fehlerquellen, um die Bedeutung und Leistungsfähigkeit dieser Satellitennavigation aufzuzeigen.
- Historische Entwicklung der Navigation und Entstehung des GPS
- Detaillierte Analyse der technischen Funktionsweise (Segmente, Signalstrukturen, Positionsbestimmung)
- Untersuchung von Genauigkeit, Fehlerquellen und Korrekturverfahren
- Anwendungsgebiete in Luft-, See- und Landverkehr sowie Geodäsie
- Ausblick auf alternative und ergänzende Navigationssysteme
Auszug aus dem Buch
3.2.1 SA-Verfälschung
Bei der SA-Verfälschung handelt es sich, wie bereits erwähnt, um eine künstliche, systematische Verfälschung des Signals, welches von den in der Umlaufbahn befindlichen Satelliten ausgesendet wird. Diese Verfälschung wurde vom Militär der Vereinigten Staaten von Amerika initiiert, um die eventuelle Nutzung des GPS durch Terroristen zu unterbinden.
Die SA-Verfälschung entsteht durch das Aussenden einer ungenauen Uhrzeit im L1-Signal und der Übertragung von ungenauen Ephemeridendaten durch die Satelliten. Durch die nicht synchron zu den Empfangseinheiten gelangende Satellitenuhrzeit kommt es zu einer sehr ungenauen Positionsbestimmung. Es werden Schwankungen bis zu 50 Meter in wenigen Minuten erreicht. Das heißt, wenn die Positionsbestimmung an dem gleichen Ort innerhalb von wenigen Minuten wiederholt wird, liegen die Ergebnisse um bis zu 50 Meter auseinander. Durch diese Verzerrung der Ergebnisse kann es zu Ungenauigkeiten kommen, die im Bereich von 50 bis 100 Meter liegen.
Die SA-Verfälschung wurde am 2. Mai 2000 durch das Militär abgeschaltet, es besteht aber weiterhin die Möglichkeit, diese Fehlerquelle bei einer eventuellen Bedrohung der USA wieder zu aktivieren.
Durch die Abschaltung wird durchschnittlich eine Genauigkeit von 20 Meter erreicht. Diese Ortungsgenauigkeit erhöht sich zusehends mit der Entwicklung besserer und leistungsfähigerer GPS-Empfänger. Am meisten profitierte die Höhenbestimmung von der Abschaltung der SA-Verfälschung, da vorher eine Bestimmung der Höhe praktisch unmöglich war.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Historie: Ein Rückblick auf die Entwicklung der Navigation von der Antike bis zum Zeitalter der Satellitentechnik.
2 Funktionsweise von GPS: Erläuterung der technischen Architektur, der Signalübertragung und des Prinzips der Positionsbestimmung.
3 Genauigkeit / Fehlerquellen: Detaillierte Betrachtung systematischer und zufälliger Fehlerursachen sowie Verfahren zur Genauigkeitssteigerung wie DGPS und WAAS.
4 Anwendungen von GPS: Übersicht über den praktischen Einsatz in Luftfahrt, Seefahrt, Landverkehr und Vermessungswesen.
5 Andere Navigationssysteme: Vorstellung ergänzender Systeme wie GLONASS und das zukünftige Projekt GALILEO.
6 Schlussbemerkung: Zusammenfassendes Fazit über den Stand und die Zukunftsperspektiven der Satellitennavigation.
Schlüsselwörter
GPS, Satellitennavigation, Positionsbestimmung, Signalstruktur, Genauigkeit, Fehlerquellen, SA-Verfälschung, DGPS, WAAS, Luftfahrt, Seefahrt, Landverkehr, GLONASS, GALILEO, Navigation
Häufig gestellte Fragen
Was ist das grundsätzliche Ziel dieser Arbeit?
Ziel der Arbeit ist es, einen fundierten Einblick in das Global Positioning System zu geben, seine technische Funktionsweise verständlich zu erklären und die Anwendungsbereiche sowie die Faktoren, die die Genauigkeit beeinflussen, darzustellen.
Welche zentralen Themenfelder behandelt das Dokument?
Das Dokument deckt die historische Entstehung, die technische Architektur (Weltraum-, Kontroll- und Nutzersegment), die physikalischen Grundlagen der Signalübertragung, die verschiedenen Fehlerquellen und die Einsatzmöglichkeiten in der modernen Verkehrswirtschaft ab.
Welche wissenschaftliche Methode wird primär verwendet?
Die Arbeit nutzt eine deskriptive und analytische Vorgehensweise, basierend auf Literaturrecherchen und technischen Spezifikationen, um die Funktionsweise von GPS und die Auswirkungen von Fehlerquellen (wie SA oder atmosphärische Störungen) systematisch zu erläutern.
Was sind die maßgeblichen Anforderungen an GPS?
Zu den Anforderungen gehören unter anderem die dreidimensionale Positionsbestimmung in Echtzeit, weltweite Verfügbarkeit zu jeder Zeit bei beliebigen meteorologischen Bedingungen, hohe Sicherheit gegen Störungen und eine präzise Zeitinformation.
Was sind die wichtigsten Schlüsselwörter der Arbeit?
Zu den wichtigsten Schlüsselwörtern zählen GPS, Positionsbestimmung, Satellitennavigation, Genauigkeit, Fehlerquellen, DGPS, WAAS und Anwendungssysteme.
Wie unterscheiden sich die verschiedenen Generationen von GPS-Satelliten?
Die Satellitengenerationen (Block I, II, IIA, IIR) unterscheiden sich primär in ihrer Masse, ihrer Energieversorgung, der Lebensdauer und der Genauigkeit ihrer Zeitmessung durch Atomuhren sowie den militärischen Zusatzfähigkeiten der neueren Generationen.
Warum ist der Mehrwegeffekt für die GPS-Genauigkeit problematisch?
Der Mehrwegeffekt führt durch Reflexionen an Gebäuden oder Objekten zu einer verlängerten Laufzeit des Signals zum Empfänger, was die Distanzberechnung verfälscht und somit die Genauigkeit der Standortbestimmung reduziert.
Welche Bedeutung hat die Abschaltung der SA-Verfälschung im Jahr 2000?
Die Abschaltung der Selective Availability (SA) führte zu einer signifikanten Verbesserung der Genauigkeit für zivile Nutzer, da die künstlich induzierten Fehler in der Zeitmessung und den Bahndaten der Satelliten wegfielen.
Was unterscheidet das Galileo-System von GPS?
Galileo ist ein zivil ausgerichtetes System der Europäischen Union, das konzipiert wurde, um die Abhängigkeit von militärischen Systemen zu verringern und eine hohe Genauigkeit sowie Zuverlässigkeit für kommerzielle und zivile Anwendungen zu bieten.
- Quote paper
- Kai Valentin (Author), Nico Sandig (Author), 2004, GPS - Satellitennavigationssystem, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/34046
