GPS- das Global Positioning System

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1 GPS Gliederung 1. Begriffserläuterung 2. Die Geschichte der Positionsbestimmung 3. Die Entstehung von GPS 4. Der Aufbau des Systems 4.1. Das Space- Segment 4.2. Das Ground- Segment 4.3. Das User- Segment 5. Die Funktionsweise von GPS 5.1. Technischer Hintergrund Atomuhren 6. Probleme in der Praxis 6.1. Mehrfachreflexion/ nicht kalkulierbare Faktoren 6.2. Störsignale/Erhöhung der Genauigkeit mittels DGPS 7. GPS in der Praxis 7.1. Militärische Anwendung 7.2. Vermessungswesen 7.3. Straßenverkehr 7.4. Zeitmessung 8. andere Satellitennavigationssysteme 8.1. Glonass, ein Produkt des kalten Krieges 8.2. Galileo, die Antwort aus Europa 9. Quellenangabe 1

2 von Sebastian Viereck GPS- das Global Positioning System Frage an die Schüler WAS IST GPS? 1. Begriffserläuterung ( Was ist GPS eigentlich? ) nach Microsoft ENCARTA : - spezielles Satellitenfunknavigationssystem, welches aus 24 Satelliten und Kontrollstationen auf Erde besteht o Aufgabe: soll zu jeder Zeit auf jedem Punkt der Welt und bei jedem Wetter Angaben über eine genaue dreidimensionale Position (Länge, Breite, Höhe) sowie Geschwindigkeit und Zeit machen - kurz: Bestimmung der Position eines Objektes 2. Überblick über die Geschichte der Positionsbestimmung ( Was war vor GPS? ) Mit was kann man sich orientieren auf der Erde? Situation: auf hoher See und orientieren, wie? - erstes Mittel : Position von Sternen und Planeten zur Orientierung o Sonnenstand unter Berücksichtigung von Tages- und Jahreszeit Schluss auf Himmelsrichtung - erster Kompass um 1188 n. Chr. erwähnt o Prinzip: ferromagnetische Stoffe (Kompassnadel) richtet sich im Magnetfeld (Magnetfeld der Erde) in Richtung des magnetischen Nordpols aus ( ungefähr geographischer Nordpol) - im 17. Jh. und 18. Jh. Entwicklung Oktant und Sextant - Neuzeit: durch Elektronik wurde Satellitennavigation ermöglicht (wetterunabhängig und viel genauer) 2

3 3. Entstehung von GPS - ab 1973 vom amerikanischen Verteidigungsministerium entwickelt - amerikanische Verteidigungsministerium fasste getrennten GPS- Entwicklungsarbeiten der US-Navy und Airforce zu gemeinsamen System zusammen. - Ziel: satellitengestützten Systems, das Navigation eines beliebigen bewegten oder ruhenden Objekts ermöglicht, sollte bei jedem Wetter, zu jeder beliebigen Zeit und an jedem beliebigen Ort funktionieren Warum sollte man so ein System überhaupt entwickeln? (Preis ca. 10 Mrd. $, von USA entwickelt)- Kalter Krieg, militärische Ziele (Steuerung von Raketen aus sicherer Distanz) 4. Aufbau des Systems - gesamte System kann in drei Bereiche (Segmente) unterteilt werden 1. Space- Segment, 2. Ground- Segment und 3. User-Segment Abb. Nr.1 System-Elemente 4.1 Das Space- Segment (Raumsegment) 3

4 - Space- Segment: Gesamtheit der verfügbaren Satelliten - März 1994 wurde System mit Start des 24. Satelliten für voll funktionsfähig erklärt - sind ausgestattet mit großen Sonnensegeln zur Energiegewinnung und Atomuhren (die exakte Zeit ist ein Schlüssel des Systems) - Lebensdauer eines Satelliten bei ca. 7,5 Jahren, aufgrund des begrenzten Treibstoffes, der bei der Justierung der Satteliten benötigt wird Abb. Nr.2 Block II, Satellit 4.2. Ground- Segment (Kontrollsegment) - verteilt über Erde: fünf Kontrollstationen, deren Positionen mit höchster Genauigkeit bekannt sind - Drei von ihnen sind zum Übermitteln von Korrekturdaten gebaut um die Satelliten korrekt auszurichten (Ascension Island im Südatlantik, Diego Garcia im Indischen Ozean und Kwajalein im Nordpazifik) - anderen beiden (Hawaii und Colorado Springs) lediglich Beobachtungsstation, wobei letztere Zentrale Was fällt bei der Positionierung der Stationen auf? (außer Beobachtungsstationen) - liegen äquatornah - mehr oder weniger gleich großem Abstand zueinander (um lückenlosen Kontakt zu Satelliten) Aufgaben des Kontroll-Segments Kontrolle des Satellitensystems Bestimmung der GPS-Systemzeit Vorausberechnung der Satellitenbahndaten und der Satellitenzeit 4

5 Abb. Nr.3 Lage der Kontrollstationen 4.3. User-Segment (Nutzersegment / Empfänger) - User-Segment: Gesamtheit aller Empfänger Funktion GPS-Empfänger: Bestimmung der eigenen Position Entfernungen zu den einzelnen Satelliten - besitzt Antenne, entweder im gleichen Gehäuse oder separat mitgeführt wird - des weiteren kann unterschieden werden zwischen stationären und mobilen Empfängern - mobilen Anlagen haben schon heute Kreditkartengröße (Laptopsteckkarte) und Preise von ca. 200 bis zu 3000 Abb. Nr.4 GPS Empfänger Magellan Abb. Nr.5 GPS für Soldaten 5

6 5. Funktionsweise von GPS Verständnisbeispiel: - schon aus Unterricht bekannt - bei Gewitter: Distanz zu den Blitzen kann berechnet werden: s= v t (an die Tafel!) s: Distanz bis zum Blitz [m] v: Schallgeschwindigkeit ca. 330 [m/s] t: Zeit von der Wahrnehmung des Blitzes bis zur Wahrnehmung des Donners [s] - Beispiel: - Donner nach 5s gehört: t=5 o s=330 m/s 5s s=1650m Distanz zu Blitz 1650m Prinzip der Laufzeitmessung auch Anwendung bei GPS - Unterschiede nur: o nicht Distanz wird berechnet sondern dreidimensionale Position o statt Schallgeschwindigkeit- Lichtgeschwindigkeit,da elektromagnetische Wellen bei GPS gesendet werden (s= t) 5.1. Technischer Hintergrund - um die Zeit t zu messen: jeder Satelliten bis zu 4 Atomuhren - zur Zeit die präzisesten Zeitgeber (max. 1s Abweichung auf 1 Million Jahre) Atomuhren o Betrieb Atomuhr beruht auf der Messung der Energiedifferenz, die Atom beim Übergang von einem niedrigeren auf ein höheres Energieniveau aufnimmt o Schwingungen nicht durch äußere Kräfte beeinflusst o deswegen so genau und verlaufen immer in der gleichen Zeit. Anmalen des Koordinatensystems - nun GPS Satelliten senden ihre genaue Position und diese exakte Uhrzeit mit 1575 Mhz (zivile Anwendungen) und 1227 Mhz (militärische Anwendungen) zur Erde (Bereich der Dezimeterwellen ) - wenn man genaue Uhr hat, dann anhand Laufzeit der elektromagnetischen Wellen von Satellit zu Empfänger Berechnung von Distanz s zu Satellit möglich 6

7 Abb. Nr.6 Positionsbestimmung in der Ebene Zur Abbildung: - Bestimmung zuerst in der Ebene betrachtet - GPS-Empfänger bekommt Zeit und Lage von drei Satelliten kann Distanz zu jedem Sendesatelliten bestimmen, geometrisch gesuchte Position im Schnittpunkt der drei Kreise - da Erde Körper und keine Fläche vier Satelliten für dreidimensionale Position o 3 Satelliten für Punkt in Ebene, 1 Bestimmung Höhe 27 Satelliten so verteilt, immer mindestens 4 Satelliten für jeden Punkt der Erde zugänglich Problem aber in Praxis: - gerade: Bedingungen ideal, d.h. die Uhr des Empfängers muss genau so präzise, wie Sendesatellitenuhr (beides Atomuhren) Beispiel: - bei Zeitmessfehler von einer Millionstelsekunde o elektromagnetische Wellen in einer Sekunde (Lichtgeschwindigkeit) 3 10 hoch 8 m o Verhältnisgleichung: 3 10 hoch 8 m / 1s= x / 1 10 hoch 6s o Ergebnis: x= 300m (!) Verfälschung - Aber Atomuhr und 30kg ausgehen von Laufzeitfehler, aber da alle drei Signale gleiche Verzögerung wahre Position in Mittelpunkt neuer Kreis, der die drei verfälschten Distanzkreise berührt, immer relativ kleine Abweichungen 7

8 Abb. Nr.7 Positionsbestimmung in der Ebene mit anschließender Korrektur 6. Probleme in Praxis 6.1. Mehrfachreflexion/ nicht kalkulierbare Faktoren - Verfälschung GPS-Messungen auch von äußeren Einflüssen: - Effekt der Mehrfachreflexion in der Nähe von elektrischen Anlagen oder sonstiger Sender Mehrwegausbreitung kann Ergebnis um mehrere Zentimeter verfälschen - einfache Lösung: Wahl eines geeigneten Antennenstandortes: o nicht unter dicht belaubten Bäumen o in Städten o unter einer überhängenden Felswand wird Grund: elektromagnetische Wellen von elektrisch leitenden Flächen reflektiert Erschwerung des gleichzeitigen Empfang von vier Satelliten, Positionsangabe wird verfälscht - Auch Verursachung von Messfehlern durch nicht kalkulierbare Faktoren in der Ionosphäre oder in der Troposphäre (Veränderung der Dichte der Gasatome, Brechungswinkel wird verändert) 8

9 Abb. Nr.8 Messfehler durch Ionosphäre und Tronosphäre 6.2. Störsignale/Erhöhung der Genauigkeit mittels Differential-GPS (DGPS) - normal: theoretische Genauigkeit GPS ungefähr 5 bis 25m Abweichung - aber nicht für zivile Zwecke, da Verteidigungsministerium USA aus sicherheitspolitischen Gründen Qualität verschlechtert durch das Senden von Störsignalen (Atomuhrenzeit wurden verfälscht, aber jetzt für fast alle Regionen aufgehoben) Genauigkeit auf ca.100 Meter während 95% des Tages gewährleistet - für permanente Genauigkeit DGPS erfunden - einfaches Prinzip: - Basis: bekannter genau vermessenen Punkt (GPS-Referenzstation) - diese Station bestimmt Position mittels 4 Satelliten - nun Berechnung der Abweichung vom wirklichen Standort (Stärke des Störsignals) - Abweichung wird nun von Referenzstation an Empfänger gesendet können dann wahre Position berechnen Genauigkeit von einigen Millimetern ermöglicht 9

10 Abb. Nr.10 Prinzip des DGPS 7. GPS in der Praxis 7.1. Militärische Anwendung - erstmals 1991 im Golfkrieg eingesetzt: amerikanische Soldaten erhielten leichte zivile GPS- Empfänger Orientierung in der kuwaitischen und irakischen Wüste o künstliche Verschlechterung sogar abgeschaltet, Verschiebung sogar einzelne Satelliten optimale Empfangsqualität in Golfregion - allgemein GPS dort wo Fahrzeuge, Flugzeuge und ferngesteuerte Raketen in unbekannten Gelände bewegen - auch Markierungszwecke, z.b. beim Widerfinden von Minenfeldern und vergrabenen Depots (Position bekannt, aber nicht sichtbar) Abb. Nr.11 Raptor F-22 mit GPS 10

11 7.2. Vermessungswesen - Geometer vermehrt DGPS - im Gegensatz zur optischen Vermessung sicherere und schnellere Vermessungen mit grenzenloser Anwendung: Vermessung von Grundstücken, Strassen und sogar Seetiefen mit Hilfe von GPS 7.3. Straßenverkehr - Straßenverkehr größte Markt für GPS: - in Fahrzeug: Computer mit Bildschirm- je nachdem wo, richtige Karte mit momentanen Position Bestimmung schnellsten Weg, Computer: Berechnung Fahrzeit und Kraftstoffverbrauch. - Ziel in Zukunft: im PKW immer GPS-Empfänger,der Position Fahrzeug ständig aussenden nach Diebstahl wieder finden Abb. Nr.12. GPS im Auto 7.4. Zeitmessung - Nebenprodukt des GPS Möglichkeit exakte Messung Zeit weltweit o auf gesamten Erdoberfläche Zeit mit Genauigkeit von 30 bis 100 Milliardstel Sekunden dank den ca. 100 Atomuhren der GPS Satelliten - GPS-Zeitmessung viel genauer als Funkuhren Laufzeit vom Sender zum Empfänger nicht kompensiert - Bsp.: Empfänger 300 km vom Funkuhrsender Laufzeit 0,001 Sekunden mal ungenauer ist als die Zeitmessung eines GPS- Empfängers Weltweit präzise - genaue Zeitmessungen notwendig: Synchronisation der Steuerung von globalen Kommunikationsanlagen zu ermöglichen 11

12 8. Andere Satellitennavigationssysteme 8.1. Glonass, ein Produkt des kalte Krieg - so wie Amerikaner GPS, Sowjets auch eigenes militärisches Navigationssystemdas GLONASS - basiert auf gleicher Technik wie GPS System (Laufzeitenmessung von Satellitenfunksignalen), aber nicht direkt kompatibel- GPS Empfänger kann keine GLONASS Satelliten nutzen und umgekehrt - nach Zerfall der Sowjetunion: Anschein des Zerfalls, da ständige Wartung solch eines komplexen Systems viel Geld benötigt - zeitweise System sehr schlechten Zustand und kaum benutzbar - in letzter Zeit Verbesserung, aber nach Aussagen eines deutschen Wissenschaftler: sterben die GLONASS Satelliten schneller, als man neue raufbringen kann - Vorteile gegenüber GPS: höhere Genauigkeit und keine künstliche Genauigkeitsverschlechterung wie bei der GPS 8.2. Galileo, die Antwort aus Europa - Projekt EU- Staaten: bis eigene Satelliten, aber Kosten 3,2 Mrd. - Vorteile: nicht unbedingt militärisch ausgerichtet- ständig gleiche Qualität (5 bis 10 Meter genau), keine Abhängigkeit von USA im Kriegsfall (militärische Nutzung extra nicht ausgeschlossen) und EU Verkehrkommissarin Loyola de Palacio: freimachen von der High-Tech-Dominanz der Amerikaner - Schaffung von Arbeitsplätzen in Europa - aber erster Rückschlag: Autoindustrie Ablehnung des Systems, da GPS reicht vollkommen aus, keinen Zusatznutzen - fraglich, ob 3.2 Mrd. ausreichen, da EU- Projekte permanent teurer werden als geplant 9. Quellenangabe Internet: mca.bv.tu-berlin.de/~katrin/gps.html Microsoft Encarta 99 Berliner Zeitung Nummer 72 Dienstag, 26. März 2002,S.27 12