GPS- wie funktioniert es?

Transkript

1 GPS- wie funktioniert es? Ausarbeitung Diese Ausarbeitung umfasst einige Informationen über das Navigationssystem GPS. Nadjma Saied

2 Inhaltsverzeichnis 1. Vorwort Geschichte Definitionen GPS GLONASS GALILEO GPS-Satelliten Systemsegmente Weltraumsegment Kontrollsegment Benutzersegment Funktionsweise GPS-Signale Positionsbestimmung Einsatzbereiche Quellenangaben Abbildungsverzeichnis Textquellen

3 Vorwort Im Bezug auf das Fachseminar im Studiengang Allgemeine Informatik an der Hochschule RheinMain (Fachbereich Design Informatik Medien) ist mein Vortrag zum Thema GPS-wie funktioniert es? entstanden. Dies wurde von mir anhand verschiedenster Quellen erarbeitet und ca. 40 Minuten im Praktikum vorgetragen. Nun werde ich das Präsentierte schriftlich niederlegen. Aus dem Grund, dass viele Quellen sehr unterschiedliche Darstellungen des Geschehenen im Bezug auf GPS darstellen, sehe ich mich an einigen Stellen gezwungen, Vermutungen anzuschliessen oder mich auf eine Quelle zu stützen, die mir als fundiert vorkam. Somit bitte ich den Leser und Leserinen dies beim Lesen der Arbeit zu beachten. Viel Spaß beim Lesen der Ausarbeit. Nadjma Saied - 3 -

4 Geschichte Bereits vor dem Zweiten Weltkrieg gab es die Grundidee, mittels Satelliten ein Navigationssystem aufzubauen. Am 11. Mai 1939 meldete der deutsche Ingenieur Karl Hans Janke in Berlin ein Patent für einen Standortanzeiger, insbesondere für Luftfahrzeuge an, welches dann am 11. November 1943 erteilt wurde. Dieses Patent geht von zwei entfernten Körpern aus, die permanent elektromagnetische Signale senden. Doch der erste Satellitennavigationssystem wurde erst ab 1958 von der US-Marine entwickelt. Somit trug der erste von den USA gestartete und von der US-Marine in den 1960er Jahren getestete Satellitensystem den Namen Transit. Mit ihm konnten Schiffe ihre Position auf dem Meer einmal pro Stunde mit Hilfe von fünf Satelliten bestimmen. Der erste geplante Satellit TRANSIT 1A wurde im September 1959 gestartet, schaffte es aber nicht die Umlaufbahn zu erreichen. Das System wurde zunächst unter Bezeichnung NNSS (Navy Navigation Satellite System) in einigen Quellen auch NAVSAT (Navy Navigation Satellite System) genannt. Im Jahr 1962 komplettierte der TRANSIT 5B Satellit das TRANSIT System und wird als funktionstüchtig erklärt. Damit gab es das erste komplette Satellitennavigationssystem. Ab 1964 wurde das System militärisch zur Zielführung ballistischer Raketen, auf U-Booten und Flugzeugträgern der US-Marine verwendet. Bereits drei Jahre später wurde das System auch für zivile Zwecke freigegeben und genutzt. Jedoch war die hohe Ungenaugigkeit zwischen 500 und 15 m des Systems ein Problem. Aus diesem Grund hat 1963 die Aerospace Corporation, die sich auf den Bau von Flugzeugen und Komponenten für die Raumfahrt spezialisiert hat, begonnen eine Studie über ein Weltraum- System auf der Basis der Navigation zu erarbeiten. Im Jahre entstand das Konzept von GPS und erreichte das Funktion-Konzept von dem heutigen GPS-System. Das TRANSIT- System wurde 1998 außer Dienst gestellt folgte auf Transit der Satellit Timation, der zeigte, dass im Weltall hochpräzise Atomuhren eingesetzt werden konnten. Danach entwickelte sich GPS schnell zu einem System für militärische Zwecke. Erst 1973 kam der Beschluss zur Entwicklung eines Navigationssytems auf Basis dieser Studien und dem TRANSIT, TIMATION und 612B System. Dazu gab es in dem Zeitraum von stationäre Systemtest und auch Empfängertests mit sogenannten Pseudoliten (Pseudosatelliten). Die Pseudosatelliten wurden auf dem Boden stationiert und gaben dann - 4 -

5 die gleichen Signale wie im Weltraum aus. Damit ließ sich das System bevor man einen Satelliten ins Weltall bringt, testen. Zwischen 1978 und 1985 wurden insgesamt elf Block I -Satelliten für das GPS ins Weltall geschossen und gestartet wurde zwischen den Sowjetunion und der USA ausgehandelt, keine Atomtests mehr unter Wasser, überirdisch oder im Weltraum durchzuführen. Somit wurde 1980 der erste Block I Satellit zur Erkennung von Atomexplosion gestartet. Die Wende von der rein militärischen Nutzung zur zivilen Nutzung kam durch einen Abschuss eines koreanischen Passagierflugzeugs Korean Airline 007 durch sowjetischen Abfangjäger, wegen Verletzung des Luftraums 1983 über sowjetischem Territorium. Somit wurde das GPS-System nach diesem Ungelück für zivile Zwecke frei gegeben, so dass Flugzeuge, Schiffe und LKW überall auf der Erde ihre Position bestimmen und verhindern konnten, dass sie versehentlich in fremde Hoheitsgebiete eindrangen. Seit dem das System auch für zivile Zwecke freigeben wurde, wurde das sogenannte SA (selective availability) eingesetzt. Hierbei handelte es sich um eine Systemsicherungsmaßnahme zur künstlichen Verschlechterung der Satellitenbahndaten und Destabilisierung der Uhrsignale. Die Genauigkeiten wurden dadurch im 100 m Bereich erreicht. Dieses sollte verhindern, dass zivile Geräte zur Waffensteuerung eingesetzt werden konnten. Während des Golfskriegs im Jahre 1990 und 1991 wurde das SA zeitweise abgeschaltet, um zivile Empfänger nutzen zu können. In dieser Zeit sind dem Militär die militärischen Empfänger ausgegangen. Das SA wurde dann am 01. Juli 1991 wieder aktiviert. Am wurde das SA komplett abgeschaltet. Damit wurde die Genauigkeit für zivile Nutzer von ca. 100 m auf 15 m erhöht. Aufgrund des Unglücks des Space Shuttle Challenger der NASA im Jahr 1986 verlangsamte sich der Ausbau des GPS. Nach diesem Unglück wurden die alten Delta-Raketen wieder eingesetzt. Erst 1989 wurden die ersten Block II -Satelliten gestartet, die noch heute für das GPS genutzt werden. Im Sommer 1993 starteten die USA den 24. Navstar-Satelliten ins All. Dieser Satellit vervollständigte die moderne GPS-Satellitenkonstellation, ein Netzwerk aus 24 Satelliten, das als Global Positioning System oder GPS bekannt wurde. 21 Satelliten waren gleichzeitig aktiv und die drei übrigen waren die Ersatzsatelliten. Das heutige Netzwerk verfügt über 30 aktive Satelliten in der GPS-Konstellation. Heute wird GPS in Dutzenden verschiedener Navigationsanwendungen eingesetzt, zur Routenplanung - 5 -

6 für Fahrer, zur Kartenerstellung, in der Erdbebenforschung, für Klimastudien und zu Schnitzeljagdspielen, dem so genannten Geocaching. Abbildung 2: Transit-O-Satellit (Operationelle Generation) Definitionen Zunächst eine Erläuterung über GPS, was es überhaupt ist und bedeutet. GPS heist Global Positioning System. Es ist ein weltweites satellitengestütztes Navigationssystem. Die vollständige Bezeichnung ist NAVSTAR GPS, wobei NAVSTAR für Navigation System with Time And Ranging steht. Das GPS-System wurde ursprünglich vom US- Verteidigungsministerium, dem DoD (Department of Defence) für militärische Zwecke entwickelt. Im Laufe der Zeit wurde das GPS auch für zivile Zwecke freigegeben. Es ist ein System von mindestens 27 Satelliten. Wobei 3 für den aktiven, also mit im Betrieb, aber auch als Ersatz für einen Ausfall eines Satelliten) benutzt werden. Der GPS-Empfänger nutzt die Funksignale der Satelliten, um daraus die Position, Zeit, sowie die Geschwindigkeit des GPS-Empfängers zu bestimmen. Damit wird auch der Name NAVSTAR klar: Navigation mit Zeit und Entfernungen. Ein Beispiel dafür sind die Navigationssysteme in einem Auto oder auch Handys mit integriertem GPS-Empfänger, welche auch mit GPS-Signalen arbeiten. D.h. das GPS-System hat sich schon teilweise in unserem Alltag integriert, wobei es hauptsächlich für die Navigation an Land, auf See und in - 6 -

7 der Luft genutzt wird. Aber es gibt auch weitere Anwendungsbereiche, wie z.b. Vermessungen, in der Landwirtschaft oder um Forstbestände zu kontrollieren. Jetzt möchte ich auf zwei weitere Systeme, die sehr ähnlich sind kurz eingehen. GLONASS Im Jahre 1972 zu Zeiten des Kalten Krieges entstand in Russland ein System namens GLONASS (GLObalnaya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema), welches dem GPS- System sehr ähnelt. Erst im Oktober 1982 startete der erste Satellit. Betrieben wird das System von dem Verteidigungsministerium der Russischen Föderation. Auch das GLONASS-System benötigt, wie das GPS-System, 24 Satelliten, um einen reibungslosen Betrieb zu gewährleisten. Um eine Positionsbestimmung zu ermöglichen, müssen drei der Satelliten an einem Standort sichtbar sein. Der russische Premierminister Putin ordnete am 12. September 2008 den Ausbau von GLONASS für 67 Milliarden Rubel (1,8 Milliarden ) an. Im Jahr 2012 sollen alle für den weltweiten Regelbetrieb notwendigen Satelliten einsatzbereit und im Orbit sein. Galileo Im Gegensatz zu dem GPS- und dem GLONASS-System wurde in Europa ein militärisch unabhängiges System entwickelt. Das Galileo System basiert auf 30 Satelliten (27 plus drei Ersatz). Dieses System wird von der Europäischen Union (EU) und der Europäischen Weltraumorganisation (European Space Agency) geleitet. Somit unterliegt das System als einziges keiner militärischen Kontrolle. Es wird aber voraussichtlich ab 2010 (über die GPS III Satelliten) mit dem amerikanischen GPS- System kompatibel sein und kann dadurch über eine deutlich verbesserte Abdeckung verfügen. Ziel ist eine Verfügbarkeit von bis zu 15 Satelliten an jedem Ort und zu jeder Zeit. Das System befindet sich noch im Aufbau und soll voraussichtlich 2013 komplett ausgebaut sein. Im Januar 2003 kamen die Leitung der ESA und Roskosmos 5 überein, die GLONASS- Satelliten zum Testen von Hardware für das Galileo-System zu nutzen

8 GPS-Satelliten Systemsegmente Das GPS-System lässt sich grundsätzlich in drei wichtige Segmente gliedern: Abbildung 3: Segmente des GPS-Systems Raum-/Weltraumsegment Wie oben schon beschrieben, besteht das GPS-Sytem aus 24 Satelliten, die die Erde in 12 Stunden umkreisen und die gesamte Erde überwachen. Der erste dieser Satelliten wurde bereits 1978 in seine Umlaufbahn gebracht. Die ersten fünf verschiedenen Satelliten heißen: - 8 -

9 Block I, Block II, Block IIA, Block IIR und Block IIF. Diese wurden im Laufe der Zeit jedoch weiter entwickelt. Block I ( ) Block II ( ) Block IIA ( ) Block IIR ( ) Block IIR-M ( ) Block IIF ( ) Block III (ab 2013) Die aktuellen Konstellationen, die im Einsatz sind: Block IIA / IIR / IIR-M / IIF Abbildung 4: Arten der GPS-Satelliten - 9 -

10 Kontrollsegment Das Kontrollsegment besteht aus vier Überwachungsstationen (Monitor Stations), die über die ganze Welt verteilt sind, und der Haupt-Kontroll-Station (Master Control Station). Die Master Control Station, befindet sich auf der Schriever Air Force Base in Colorado. Die Kontrolle über das GPS-System liegt vollständig in der Hand der US-Armee. Zur Master Control Station und den vier Monitorstationen auf Hawaii, den Ascension Islands, Diego Garcia und Kwajalein, kamen 2005 noch weitere sechs Monitorstationen der NGA (National Geospatial-Intelligence Agency) hinzu. 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. Abbildung 5: Lage der Haupt-Kontroll- und Überwachungs-Stationen

11 Benutzersegment Das Benutzersegment umfaßt die GPS-Empfänger bzw. GPS-Geräte in Autos, Flugzeugen und anderen Transportmitteln. GPS-Geräte bestehen aus einer Antenne zum Empfang der Satellitensignale, einem Segment in dem letztere verarbeitet werden und einer Steuerungsund Anzeigeneinheit. GPS-Satellitenempfänger wurden im Laufe der Jahre immer mehr verbessert und auch verkleinert. Die Empfänger lassen sich mittlerweile so kompakt bauen, dass sie sogar in eine Armbanduhr integriert werden können. Alle heute verbreiteten Geräte haben mindestens 12 Kanäle, d.h. sie können Daten von bis zu 12 Satelliten gleichzeitig verarbeiten und auswerten. Daten der GPS-Sateliten Mit Hilfe einer sich im Satellit befindlichen Atomuhr senden GPS-Satelliten kontinuierlich Daten, wie z.b. ihre Satellitennummer, ihre Position und den Zeitpunkt des Absendens, die von entsprechenden Empfängern überall auf der Welt empfangen werden können. Funktionsweise Damit ein GPS-Empfänger immer zu mindestens vier Satelliten Kontakt hat, werden insgesamt mindestens 24 Satelliten eingesetzt, die die Erde jeden Tag zweimal in einer Höhe von km umkreisen. Auf jeder der 6 Bahnebenen bewegen sich mindestens vier Satelliten, die 55 gegen die Äquatorebene inkliniert sind und gegeneinander um jeweils 60 verdreht sind. Ein Satellit hat eine erwartete Lebensdauer von ca. bis zu 10 Jahren, doch funktionieren die Satelliten häufig deutlich länger. Um Ausfälle problemlos zu verkraften, wurden daher bis zu 31 Satelliten in den Orbit gebracht, sodass man auch bei schlechten Bedingungen 5 oder mehr Satelliten verwenden kann. Für das Austauschen eines Satelliten benötigt man 60 Tage. Nun versucht man aus Kostengründen diesen Zeitraum auf 10 Tage zu senken und somit die Satellitenanzahl auf 25 zu reduzieren. Das System basiert auf Satelliten, die ständig Signale ausstrahlen, aus deren Signallaufzeit GPS-Empfänger ihre Position bestimmen können. Theoretisch reichen dazu die Signale von

12 drei Satelliten, da daraus die genaue Position und Höhe bestimmt werden kann. In der Praxis haben aber die meisten GPS-Empfänger keine Atomuhr, die genau ist, um daraus die Laufzeiten korrekt berechnen zu können. Deshalb wird meist das Signal eines vierten Satelliten benötigt. GPS-Signale Mit den GPS-Signalen lässt sich aber nicht nur die Position, sondern auch die Geschwindigkeit des Empfängers bestimmen. Dieses erfolgt im Allgemeinen über die numerische Differenzierung der Ortsänderung über die Zeit. Die Bewegungsrichtung des Empfängers kann ebenfalls ermittelt werden und als künstlicher Kompass oder zur Ausrichtung von elektronischen Karten dienen. Jeder Satellit sendet kontinuierlich Signale mit ca. 20 W aus, wobei sich zwei Frequenzen als geeignet herausgestellt haben: Die L1-Frequenz (1575,42 MHz) wird der C/A-Code ( Coarse/Acquisition ) für die zivile Nutzung, der verschlüsselte P/Y-Code ( Precision/encrypted ) für die militärische Nutzung und eine Navigationsnachricht übertragen. Die zweite Frequenz L2-Frequenz (1227,60 MHz) überträgt nur den P/Y-Code. Durch die Übertragung auf zwei Frequenzen können ionosphärische Effekte, die zur Erhöhung der Laufzeit führen, herausgerechnet werden. Momentan ist eine L5-Frequenz im Aufbau. Sie soll die Robustheit des Empfangs weiter verbessern und ist vor allem für die Luftfahrt vorgesehen. Die Modulation der Trägersignale geschieht zum einen mit dem C/A Code (Coarse aquisition; grobe Bestimmung) und zum anderen mit dem P (precise code) bzw. Y Code. Der C/A Code ist 1023 'chip' lang und ist ein pseudozufälliger Code (PRN - pseudo random code), der jedoch für jeden der Satelliten eindeutig festgelegt ist. Er wiederholt sich nach jeweils 1023 bit bzw. einer Millisekunde. Der C/A Code ist die Basis für alle zivilen GPS- Empfänger. Der P Code (precise code) ist hingegen ein sehr langer 10,23 MHz Pseudozufallscode für die militärische Nutzung

13 Er kann verschlüsselt übertragen werden, um sich gegen mögliche Störsignale eines Feindes abzusichern. Der P-Code wird demnach mit Hilfe des Anti-Spoofings (AS) in einen Y-Code verschlüsselt. Zur Entschlüsselung benötigt der Empfängerkanal ein spezielles AS-Modul und ist nur für autorisiertes Personal mit Schlüssel zugänglich. Der P bzw. Y Code sind die Basis für die präzise militärische Positionsbestimmung. Positionsbestimmung Wie schon oben erwähnt wurde, senden die GPS-Satelliten kontinuierlich Daten, wie z.b. ihre Satellitennummer, ihre Position und den Zeitpunkt des Absendens, die von entsprechenden Empfängern überall auf der Welt empfangen werden können. Um die exakte Position zu berechnen, wird dieses Signal nun verwendet. Der Empfänger vergleicht hierzu die Zeit, zu der das Signal ausgesendet wurde mit der Zeit, zu der das Signal empfangen wurde. Daraus wird dann die Zeitdifferenz mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit multipliziert. Dabei liegt die Signalausbreitungsgeschwindigkeit von Radiowellen wie die Lichtgeschwindigkeit bei ca km/s. Abbildung 6: Ermittlung der Zeitdifferenz Dt Daraus ergibt sich für die Berechnung der Entfernung folgende Formel: Entfernung = Zeitdifferenz x Ausbreitungsgeschwindigkeit

14 Durch die Berechnung der Entfernung wird die Position des Nutzers auf einer Erdoberfläche genau bestimmt. Wird das Signal eines zweiten Satelliten hinzugenommen, so kann die Position nur noch auf der Schnittmenge zweier Erdoberflächen, einem Kreis liegen. Ein dritter Satellit und der damit verbundene Schnitt dreier Erdoberflächen, ermöglicht die sichere Positionierung des Nutzers. Der Schnitt von drei Erdoberflächen führt meistens zu zwei Schnittpunkten, jedoch liegt der zweite Schnittpunkt weit im Weltraum und kommt somit nicht als Position in Frage. Man unterscheidet 2 D position fix (zweidimensionale Positionsbestimmung) und 3 D position fix (zusätzlich wird noch die Höhe über die Erdoberfläche bestimmt). Die genaue Vorgehnsweise zur Positionsbestimmung beim GPS soll im Follgenden kurz beschrieben werden. Zur besseren Vorstellung der Funktionsweise stellt man sich zunächst vor, es würden nur zwei Satelliten zur Positionsbestimmung zur Verfügung stehen, wie in Abbildung 7. Dort empfängt ein GPS-Gerät zwei Signale, das erste braucht 4 sec und das zweite 5 sec bis zu seiner Auskunft. Nun zieht man zwei Kreise mit der jeweiligen Laufzeit um die Satelliten, somit kann die aktuelle Position nur an einem der beiden Schnittpunkte sein. Zur genauen Positionsbestimmung, wo der dritte Satellit benötigt werden müsste, wird damit hinfällig. Nun muss ein vierter Satellit für eine genaue Höhenangabe hinzugenommen werden. Abbildung 7: Quelle:

15 Durch den Uhrenfehler des Empfangsgerätes, welches natürlich keine Atomuhr hat wie die Satelliten, tritt bei der Positionsbestimmung, ein Messfehler auf. Um bei dem bisherigen Beispiel zu bleiben, gehe man davon aus, dass die Uhr des Empfangsgerätes 0,5 sec vorgeht. Dann erscheint die Laufzeit um eine halbe Sekunde länger. Somit verschiebt sich aber der Punkt der eigentlichen Position auf die sogenannte Pseudoentfernung, wie in der Abbildung 8 von A nach B gezeigt wird. Abbildung 8: Quelle: Der Synchronisationsfehler der Uhr muss erst korrigiert werden, um die realeposition zu ermitteln. Je nach Genauigkeit der Uhr wird diese Position auf die exakte Position bestimmt, wobei ein Uhrenfehler von 1/100 sec bereits ein Fehler von 3000 km wäre. Um den Fehler kleiner als 10 m zu halten, muss die Laufzeit auf 0, sec genau sein. Dieses Problem wird mit einem dritten Satelliten gelöst. Der dritte Satellit liefert bei einem Uhrenfehler von 0,5 sec einen Bereich, in dem sich der Empfänger befinden muss. Nun wird die Zeit der Empfangsuhr solange verschoben, bis aus den drei Schnittpunkten B ein Schnittpunkt A wird. Somit ist der Uhrenfehler korrigiert und aus der Pseudoentfernung wird nun die reale Position, siehe Abbildung

16 Abbildung 9: Quelle: Nach dem gleichen Prinzip wird für die Höhenbestimmung mit vier Satelliten zunächst eine Pseudoposition bestimmt und dann solange korrigiert, bis die reale Höhe angegeben werden kann. Einsatzbereiche Ursprünglich war das GPS-System zur Positionsbestimmung und Navigation im militärischen Bereich vorgesehen. Ein Vorteil dabei ist, dass der Empfänger nur Signale empfangen und nicht senden kann. So kann navigiert werden, ohne dass der Feind Informationen über den eigenen Standort erhält. Jedoch wird heute das System vermehrt auch im zivilen Bereich genutzt. Hauptsächlich wird das System für Navigation an Land, auf See und in der Luft eingesetzt. Es gibt aber auch weitere Anwendungsbereiche, wie z.b. im Vermessungswesen, in der Landwirtschaft wird es beim so genannten Precision Framing zur Positionsbestimmung der Maschine auf dem Acker genutzt. Ebenso wird GPS nun auch im Leistungssport verwendet

17 Quellenangaben Abbildungsverzeichnis Seite 1, Abbildung 1: Weltraum_Satellit Seite 5, Abbildung 2: Transit-O-Satellit Seite 8, Abbildung 3: Segmente des GPS-Systems Seite 9, Abbildung 4: Arten der GPS-Satelliten Seite 13, Abbildung 5: Ermittlung der Zeitdifferenz Seite 14, Abbildung 6: Positionsbestimmung Seite 15, Abbildung 7: Positionsbestimmung Seite 16, Abbildung 8: Positionsbestimmung

18 Textquellen Internet Für die Ausarbeitung habe ich folgende Quellen verwendet: PDF-Dateien: GPS-Verfahren Einsatzgebiete Rahmenbedingungen