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                 GPS = Global Positioning System, Einführung

GPS Glossary

Blick von einem NAVSTAR Satelliten auf die Erde, Quelle: Earth and Moon viewer by John Walker

 

GPS, Einführung:
Das
Global Positioning System ist ein Satelliten Navigationssystem mit dem jeder Punkt auf der Erde jederzeit genau lokalisiert werden kann. Es besteht aus 24, im Weltraum operierenden NAVSTAR Satelliten (NAViagation System with Time And Ranging) und mehreren Kontrollstationen auf der Erde. Das System wird vom U. S. Militär betrieben und gehört dem amerikanischen Verteidigungsministerium dem US Department of Defense (DoD).  GPS ist weltweit verfügbar und steht auch der zivilen Nutzung kostenlos zur Verfügung. Allerdings wird die Genauigkeit der Positionsbestimmung für die zivile Nutzung vom DoD absichtlich durch Störsignale, der “Selective Availability”vermindert. Die militärische Nutzung erlaubt Positionsgenauigkeiten im Milimeterbereich. Die zivile Nutzung erreicht mit normalen GPS Empfängern die durchschnittliche Genauigkeit von 15 Metern, über differentielles GPS von 1-3 Metern und über präzises geodätisches GPS ebenfalls den Millimeter Bereich.

Das Prinzip der Positionsbestimmung durch GPS basiert darauf, dass die Distanz zwischen den Satelliten und dem GPS-Empfänger auf der Erde bestimmt wird. Die Berechnung der Entfernung erfolgt nach der mathematischen Gleichung:

Entfernung = Geschwindigkeit x Zeit

Praktisch mißt ein auf der Erde befindlicher GPS-Empfänger die Zeit, die ein Signal braucht, um die Strecke von den Satelliten zu dem GPS-Empfänger zurück zu legen (Abbildung 1).

 

Abb. 1: Schematische Darstellung der Ortsbestimmung eines Fahrzeugs mit GPS Empfänger

Da sich elektromagnetische Wellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten (ca. 300.000 km pro Sekunde), läßt sich die Entfernung Satellit → GPS Gerät durch exakte Laufzeitmessung errechnen. Benötigt werden die genauen Angaben, wann das Signal vom Satelliten übermittelt wurde und wann es den GPS-Empfänger erreichte. Dazu verfügen die Satelliten über präzise Atomuhren, die GPS-Empfänger über qualitativ hochwertige Quarzuhren. Letztere arbeiten ungenauer als die Atomuhren und werden daher ständig per Satellitensignal korrigiert und auf die gemeinsame GPS Systemzeit gebracht. Die Präzision der Satelliten Bord-Uhren und weitere Signalinformationen werden ständig von den Bodenstationen überwacht und korrigiert. Bei den Satelliten-Borduhren handelt es sich um Rubidium und/oder Cäsium Atomuhren mit einer Uhrenstabilität von mindestens 10- 13 Sekunden.

Wenn die Entfernungen zu drei Satelliten bekannt sind, können durch trigonometrische Berechnungen (Triangulation) die Positionskoordinaten des Empfängerstandortes als Längengrad und Breitengrad, also in einer Ebene bestimmt werden. Werden Signale von vier oder mehr Satelliten erhalten, kann zusätzlich zu der zweidimensionalen Position, die Höhe des Empfängerstandortes ermittelt werden.

GPS System Segmente
Das GPS besteht aus drei Ebenen: dem Raum-Segment mit den NAVSTAR Satelliten, dem Kontroll-Segment mit den Kontroll- und Monitor-Stationen und dem Nutzer Segment mit den GPS-Empfängern bzw. -geräten.

Das Raum-Segment besteht aus of 24 operierenden Satelliten, die in sechs Orbits, zu je vier Satelliten, in in einer Höhe von 20.200 Kilometer die Erde innerhalb von 12 Stunden einmal umrunden (60 ° voneinander getrennt).  Häufig befinden sich mehr als 24 Satelliten im Weltraum, da neue Satelliten gestartet werden, um Alte zu ersetzten.

Das Kontroll-Segment besteht aus Überwachungsstationen (Monitor Stations), die über die ganze Welt verteilt sind und der Haupt-Kontroll-Station (Master Control Station), siehe Abbildung 2. Die Master Control Station, befindet sich auf der Schriever Air Force Base in Colorado.  Die Überwachungsstationen empfangen Daten von den NAVSTAR Satelliten und überwachen insbesondere die Satellitenbahnen und Borduhren. Die Daten werden an die Haupt-Kontroll-Station weitergeleitet, von wo laufend Korrektursignale an die Sateliten gesendet werden.

Abbidlung 2: Lage der Haupt-Kontroll- und Überwachungs-Stationen


Die vier Überwachungs-Stationen sind unbemannt und befinden sich auf Hawai, den  Kwajalen im Pazifischen Ozean, Diego Garcia im Indischen Ozean und auf Ascension Island im Atlantischen Ozean. Sie betreuen bis zu 11 Satelliten zweimal am Tag.

Das Nutzer-Segment umfaßt die GPS-Empfänger bzw. GPS-Geräte in Autos, Flugzeugen etc.. GPS-Geräte bestehen aus einer Antenne zum Empfang der Satellitensignale, einem Segment in dem letztere verarbeitet werden und einer Steuerungs- und Anzeigeneinheit.

Differenzial GPS (DGPS)
Die Genauigkeit von GPS Positionsbestimmungen liegt durchschnittlich bei ca. 15 m. Diese “Ungenauigkeit” ergibt sich einmal durch die bewußte Signalverschlechterung durch den GPS Betreiber, das amerikanische Verteidigungsministerium, zum anderen durch Systemfehler. Solche Systemfehler sind z.B. die Ungenauigkeit der in den GPS-Empfängern eingebauten Uhren sowie Fehler die sich durch Ablenkung der von den Satelliten ausgesandten elektromagnetischen Wellen in der Atmosphäre ergeben (Ionosphärenfehler und Troposphärenfehler).

Mit Hilfe von Korrekturverfahren ist es möglich die Genauigkeit durch GPS ermittelte Positionen zu verbessern. Das Verfahren wird als Differenzial GPS bezeichnet. Dabei werden DGPS fähigen-Empfängern Korrektursignale übermittelt, mit denen diese ihren Positionsfehler korrigieren.

Zwei Verfahren werden zur Korrektur verwendet: terrestrisches und satellitengestütztes DGPS.

Bei dem terrestrischen Verfahren erfolgt die Korrektur des Positionsfehlers, indem exakt vermessene Bodenstationen, so genannte Referenzstationen, kontinuierlich ihre Position mit den Signalen der GPS Satelliten bestimmen, diese mit ihrer tatsächlichen, bekannten, Position vergleichen und daraus einen Korrekturwert berechnen. Dieser Korrekturwert kann über UKW- oder LW-Sender den mobilen DGPS-fähigen Empfängern über ihre Schnittstelle (im RTCM-Format) zugeführt werden, die damit ihrerseits wiederum eine Korrektur ihrer eignen Positionskoordinaten durchführen. Die erreichte Genauigkeit liegt bei diesem Verfahren bei 1-3 Metern, wobei für die Genauigkeit u.a. die Distanz zum Korrekturdatensender und die Signalqualität ausschlaggebend sind (Abbildung 3).

 


Abb. 3: Prinzip des Differential GPS nach dem terrestrischen Verfahren

 

Satellitengestützte Verfahren, wie das WAAS (Wide Area Augmentation System) oder EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System), senden die Korrekturdaten über geostationäre Satelliten und erreichen dadurch einen größeren Empfangsbereich als die terrestrischen Verfahren.

 

Links:

GPS Info                 http://www.kowoma.de/gps/waas_egnos.htm

 

 

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