Satellitennavigation. Von Matthias Schranz

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1 Satellitennavigation Von Matthias Schranz

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Was ist Satellitennavigation? NAVSTAR-GPS Andere Satellitennavigationssysteme Geschichte Anwendungen Technik Quellen Dokumentation Kurzvortrag Seite 2 von 12 Burgdorf,

3 1. Was ist Satellitennavigation? GPS : Global Positioning System auf Deutsch : Verfahren zur weltumfassenden Bestimmung der Position Mit Satellitennavigation können Koordinaten, Höhe und Zeit bestimmt werden. Mit GPS können jederzeit auf der Erde folgende Werte ermittelt werden: 1. Der exakte Standort (mit einer Genauigkeit von 20m bis zu ca. 1mm) a. Koordinaten der geographischen Länge b. Koordinaten der geographischen Breite c. Höhe 2. Die genaue Zeit (mit einer Genauigkeit von 60ns bis zu ca. 5ns) a. Weltzeit: Universal Time Coordinated, UTC) Abbildung 1: Grundlegende Funktion von GPS Zurzeit ist nur das amerikanische NAVSTAR-GPS vollumfänglich Nutzbar. Daher wird in dieser Dokumentation hauptsächlich dieses beschrieben. Die anderen Systeme werden aber sehr ähnlich aufgebaut. Satellitennavigation ist aus der heutigen Zeit gar nicht mehr weg zu denken. Fast jedes Auto ist heute mit einem GPS-Empfänger ausgerüstet, welcher den schnellsten Weg durch das Strassennetz sucht. Schiffe und Flugzeuge orientieren sich zum Teil sogar gänzlich nach GPS. Dokumentation Kurzvortrag Seite 3 von 12 Burgdorf,

4 2. NAVSTAR-GPS NAVSTAR-GPS : Navigation System with Timing And Ranging Global Positioning System auf Deutsch Navigationssystem mit einem Verfahren zur Bestimmung von Position und Zeit NAVSTAR-GPS wurde vom amerikanischen Verteidigungsministerium (U.S Department of Denense, DoD) entwickelt. Es kann sowohl von militärischen als auch von zivilen Anwendern genutzt werden. Es ist seit dem 17. Juli 1995 offiziell vollumfänglich in Betrieb. Abbildung 2 Logo NAVSTAR GPS Das GPS-System wurde vorallem für folgende Punkte entwickelt. 1. Ortung, Geschwindigkeits- und Zeitbestimmung für Nutzer, die sich in Bewegung oder in Ruhe befinden 2. Ständige, weltweite, wetterunabhängige 3-dimensionale Ortung mit hoher Genauigkeit 3. Die Möglichkeit der zivilen Nutzung, Das System besteht zurzeit aus 29 aktiven Satelliten. Diese Kreisen auf 6 Bahnen in einer Höhe von km um die Erde. Die Bahnen sind um 55 zum Äquator geneigt, damit von jedem Punkt der Erde eine Funkverbindung zu mindestens 4 Satelliten gewährleistet ist. Abbildung 3 NAVSTAR Satellit zweiter Generation Jeder Satellit umkreist die Erde in in ca. 12h und hat vier Atomuhren an Bord. Ein Satellit kostet rund etwa 60 Mio Euro. Die Satelliten senden zwei Signale: Das SPS (Standart Positioning System), welches für die Allgemeinheit nutzbar ist, und das PPS (Precise Positioning System), welches nur autorisierte Stellen nutzen dürfen. Dokumentation Kurzvortrag Seite 4 von 12 Burgdorf,

5 3. Andere Satellitennavigationssysteme Ein grosser Nachteil von GPS ist die Abhängigkeit von den USA. Heutzutage sind sehr viele Fahrzeuge, Flugzeuge, Schiffe etc. auf GPS angewiesen. Auch im Militär wird sehr viel über GPS gesteuert. Hat nun die USA eines Tages das Gefühl, GPS solle jetzt nicht mehr für jedermann öffentlich sein, können sie es jederzeit ohne Probleme abschalten. Daher sind andere Grossmächte an der Entwicklung eines eigenen Systems. Galileo (Europa) Das zukünftige System der Europäer heisst Galileo. Vom Prinzip her ist es sehr ähnlich aufgebaut wie NAVSTAR-GPS. Die Kontrolle liegt bei Galileo jedoch nicht beim Militär und ist nur für zivile Zwecke gedacht. Das System soll ca funktionsfähig sein. Die wichtigsten Ziele von Galileo: 1. Unabhängikeit von der USA Abbildung 4 Logo Galileo Wie schon erwähnt, fühlen sich die Europäer von den Amerikanern abhängig, da diese nach Lust und Laune das GPS Signal verschlechtern oder gar abstellen können. 2. Ortungsgenauigkeit erhöhen Galileo soll genäuer sein als GPS. Das öffentliche Signal soll eine Genauigkeit von 4 bis 15 Metern aufweisen. Sicherheitskritische Dienste sogar 4m bis 6m. Diese höhere Genauigkeit erfolgt durch eine andere Modulation. Diese wird jedoch früher oder später auch beim GPS Signal eingesetzt werden. 3. Rein ziviles Navigationssystem haben Die Kontrolle darf nicht bei Militär liegen. Zudem soll Galileo für einige Dienste eine Funktionssicherheit anbieten. 4. Eine Such- und Rettungsfunktion anzubieten Empfang von Notrufen von beliebigen Standorten auf der Erde und exakte Positionsbestimmung der Warnmeldung. Ein ähnliches System exisistiert bereits, jedoch ist dieses schlecht ausgebaut und ungenau. Neu soll auch eine Quittierung des Alarms möglich sein. 5. Arbeitsplätze schaffen Durch die Entwicklung und Betrieb von Galileo sollen bis 2020 rund bis Arbeitsplätze geschaffen werden. 6. Navigations-Know-How zu Erlangen Die Hersteller der meisten Satellitennavigationssysteme befinden sich in den USA. Mit Galileo hat der europäische Markt nun die Chance, sich in dieser Industrie zu beteiligen und mit zu forschen. 7. Die weltweite Abdeckung von Satelliten verbessern Galileo wird bei uns etwas besser zu empfangen sein. Zukünftige Navigationsempfänger werden sowohl GPS, als auch Galileo Signale auswerten können. Dadurch erhöht sich die Genauigkeit. Dokumentation Kurzvortrag Seite 5 von 12 Burgdorf,

6 GLONASS (Russland) : russisch Globalnaja Nawigazionnaja Sputnikowaja Sistema auf Deutsch Globales Satellitennavigationssystem Abbildung 5 Russisches Logo von GLONASS Gestartet wurde das Programm von der früheren UdSSR. Die ersten Satelliten wurden für Testzwecke am 12. Oktober 1982 in ihre Umlaufbahn gebracht. Geplant sind 24 Satelliten (21 Standart und 3 Reserve) Am 18. August waren jedoch nur 14 Satelliten funktionsfähig. Die Satelliten haben eine durchschnittliche Lebensdauer von nur 3 bis 4 Jahre. Diese kurze Lebensdauer bremst den Vollausbau.GLONASS ist im Moment noch nicht vollständig zur zivilen Nutzung freigegeben. Ein funktionsfähiges System, zu welchem auch Zivilisten Zugriff haben, ist auf ende 2012 geplant. Compass (China) Über das chinesische Satellitennavigationssystem Compass ist noch nicht sehr viel bekannt. Geplant wäre eine Fertigstellung bis Jedoch ist das Projekt im Verzug. China ist zudem am europäischen Galileo beteiligt. Daher ist nicht ganz klar, ob Compass überhaupt je fertiggestellt wird. Die Raumfahrtsbehörde gab jedoch bekannt, das System komplett ausbauen zu wollen. Dokumentation Kurzvortrag Seite 6 von 12 Burgdorf,

7 4. Geschichte 1939 Patent für Standortanzeiger Der deutsche Ingenieur Karl Hans Janke reichte 1939 in Berlin ein Patent für einen Standortanzeiger, insbesondere für Luftfahrzeuge ein. Vom Prinzip her sehr ähnlich wie GPS. Jedoch war die Zeit noch nicht reif für Jankes geniale Idee. Um 1945 Diverse Funknavigationssysteme wurden entwickelt Diese Systeme funktionierten jedoch noch ohne Satelliten. Und die Ortung war sehr ortseingeschränkt und ungenau. Sie dienten vorallem der Schiffahrtsnavigation Erste Satellitennavigation Transit Die US Marine begann mit der entwicklung eines ersten Satellitennavigationssystems. Es erreichte jedoch nur eine Genauigkeit von ca. 500m- 100m und man konnte die Position nur 1mal pro Stunde berechnen Beschluss für ein Satellitennavigationssystems Das US Verteidigunsministerium beschliesst ein Satellitennavigationssystem basierend auf den alten Systemen der Navy und der Airforce. Bis 1979 diverse Systemtests Ab 1979 Start erster GPS-Satelliten 1980 Beschluss das System vollständig auszubauen Obwohl es immer wieder zu finanziellen Problemen und Kürzungen kam, wollte man das System komplett ausbauen. Zu diesem Zeitpunkt sahen noch nicht alle das riesiege Potenzial eines Satellitennavigationsystemes Russland beginnt GLONASS aufzubauen Während des kalten Krieges begann Russland aus strategischen Gründen ein eigenes System aufzubauen. Vom Prinzip her ist es aber sehr ähnlich wie das NAVSTAR-GPS GPS wird zur zivilen Benutzung geöffnet Aufgrund eines Aschusses von einem zivilen Flugzeug, welches sich verirrt hatte, wurde beschlossen, GPS auch für zivile Anwender zu öffnen Zeitweise Abschaltung der Selected Avaiability Während des Golfkrieges wurde die SA abgeschaltet. Dies hatte zur Folge, dass das zivile Signal genau so präzis wurde wie das militärische. Der Grund war, dass das militärische Signal komplett ausgenutzt war, und sie daher auch das zivile Signal für ihre Operationen nutzen wollten. Später wurde die Signalverfälschung wieder aktiviert Volle Betriebsbereitschaft (FOC, Full Operation Capability) 2000 Definitive Aufhebung der SA -> Genauigkeit von 20m 2000 Europa beginnt mit der Planung von GALILEO 2004 Start des 50. GPS-Satelliten Dokumentation Kurzvortrag Seite 7 von 12 Burgdorf,

8 5. Anwendungen Strassenverkehr Sehr viele Autos im Strassenverkehr sind heutzutage mit GPS ausgerüstet. Die GPS-Empfänger sind ausgerüstet mit Kartenmaterial. So wird jeder Autofahrer per Knopfdruck auf schnellstem Weg zu seinem Ziel gelotst. Abbildung 6 GPS Navigationsgerät in einem Audi Outdoorbereich Im Outdoorbereich werden GPS-Geräte vorallem eingesetzt, um die Position auf einer Karte zu bestimmen. Es gibt jedoch auch schon GPS-Geräte, die haben die Karte direkt integriert. Abbildung 7 Navigation mit Hilfe von GPS Multimedia Viele Multimediageräte sind heutzutage mit GPS ausgerüstet. Einerseits um die Position zu Orten oder Positionen zu speichern. Es gibt Fotoapparate, die verknüpfen jedes Foto direkt mit den GPS-Koordinaten des Aufnahmeortes. So kann später auf einer Landkarte alle Aufnahmen zugeordnet werden. Abbildung 8 Kamera mit GPS-Empfänger Militär Bei militärischen Anwendungen spielt GPS eine sehr grosse Rolle. Sei es die Ortung von Feinden, autonome Steuerung von Drohnen, Zielanvisierung von Raketen etc. Gleichzeitig stellt GPS aber auch eine Verwundbarkeit dar. Schafft es ein Feind, das GPS Signal zu stören oder unbrauchbar zu machen, hätte das sehr grosse Folgen. Abbildung 9 militärische Sonderinheit im Krieg Flugverkehr Praktisch alle Flugzeuge orientieren sich heute mit Hilfe von GPS. GPS wäre aus der heutigen Luftfahrt nicht mehr wegzudenken. Abbildung 10 GPS-Gerät für Flugzeuge Dokumentation Kurzvortrag Seite 8 von 12 Burgdorf,

9 Seefahrt Früher mussten sich Kapitäne mühsamst an den Sternen orientieren. Danach kamen Peilgeräte auf. Aber auch die waren noch ziemlich umständlich. Heutzutage ist es mit GPS sehr viel angenehmer, schneller und genauer. Abbildung 11 GPS-Gerät (links) auf einem Segelschiff Fazit und Blick in die Zukunft Heutzutage ist GPS in sehr vielen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Flug- und Schiffahrt ist auf das GPS angewiesen, um sich präzis und schnell zu orientieren. Auf für den Normalen Nutzer hat GPS fast nur Vorteile. Im Moment wird sehr viel an GPS geforscht. Ziel ist es immer wie kleinere GPS- Empfänger zu bauen, welche auch viel weniger Energie verbrauchen. Autonome Roboter orientieren sich viele mit Hilfe von GPS. Ziel wäre es auch, Autos zu bauen, welche sich Autonom mit Hilfe von GPS fortbewegen und zu einem Ziel fahren können. Dazu gibt es auch Forschungswettbewerbe wie die Darpa Challenge. Abbildung 12 Auto "Junior" der Darpa Challenge Dokumentation Kurzvortrag Seite 9 von 12 Burgdorf,

10 6. Technik GPS Funktioniert auf dem Prinzip der Signallaufzeitmessung. Beispiel Gewitter Abbildung 13 Grafik Laufzeit bei einem Gewitterblitz Gibt es einen Blitz während einem Gewitter, nimmt man zuerst das Licht und einige Sekundenbruchteile später den Donner wahr. Anhand dieser Differenz, kann man die Laufzeit ermitteln. Die Zeit, welche der Blitz braucht um zum Auge zu gelangen, kann man weglassen. Nun weiss man die Dauer, welche der Schall hatte, und wie schnell sich Schall fortbegen kann. So kann man die Entfernung berechnen. Vereinfachtes Prinzip GPS Abbildung 14 Prinzip GPS in der Ebene Der Empfänger weiss, wann der Sender das Signal abgesendet hat. Dadurch kann er die Laufzeit und die Position berechnen. Dokumentation Kurzvortrag Seite 10 von 12 Burgdorf,

11 Da man mit GPS aber eine Positionsbestimmung im 3 dimensionalen Raum durchführt, braucht es dafür 3 Satelliten. Bei drei Kuglen ergeben sich 2 Schnittpunkte. Einer ist aber weit weg von der Erdoberfläche, der kann weg gelassen werden. Abbildung 15 Prinzip Ortung im Raum Das Problem der Zeitsynchronisation Bis jetzt ist man davon ausgegangen, dass alle Satelliten und der Empfänger Zeitlich genau synchronisiert sind. Die Satelliten sind alle mit Atomuhren ausgestattet und untereinander synchronisiert. Eine Atomuhr aber in jedem GPS-Sender einzubauen würde viel zu teuer kommen. Daher löst man das Problem folgendermassen: Abbildung 16 Prinzip GPS ohne Zeitsynchronisation Weiss man die Position der Sender, also der Abstand zwischen ihnen, muss der Empfänger die exakte Zeit nich wissen. Jedoch braucht es dazu einen Sender mehr. Dokumentation Kurzvortrag Seite 11 von 12 Burgdorf,

12 Nun ist das System ja nicht in einer Ebene sondern in drei Dimensionen. Wie schon weiter oben ausgeführt, brauchen wir im Raum 3 Satelliten. Dann haben wir aber immer noch das Problem mit der Zeitsynchronisation. Das heisst, es kommt eine unbekannte mehr dazu. Sind bei Berechnungen N-Grössen unbekannt, brauchen wir N unabhängige Gleichungen. Die endgültige Formel ist sehr kompliziert und wird hier nicht weiter ausgeführt. 7. Quellen Literatur Grundlagen der Satellitennavigation ublox Satelliten- und Navigationssysteme J.M. Zogg P. Raemy Internet Dokumentation Kurzvortrag Seite 12 von 12 Burgdorf,