GPS: Wie funktioniert es? Ausarbeitung. KAMEL BEN YEDDER FH Wiesbaden, Fachseminar, Herr Prof. Dr. Linn

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1 GPS: Wie funktioniert es? Ausarbeitung KAMEL BEN YEDDER FH Wiesbaden, Fachseminar, Herr Prof. Dr. Linn

2 Inhalt 1. Einleitung 2. Geschichte 3.Aufbau 3.1Weltraumsegment (Satelliten) Block I Satelliten Block II Satelliten 3.2 Kontrollsegment (Kontrollstationen) 3.3 Benutzersegment (GPS-Empfänger) Positionsbestimmung 8 5. Einsatzbereich Galileo Abbildungsverzeichnis Quellenangaben Abbildungen Textquellen 13 Seite 2

3 1. Einleitung GPS ist die Abkürzung des englischen Begriffs Global Positioning System. Der eigentliche Name des Systems ist NAVSTAR (Navigation System for Timing and Ranging) Es wurde vom US-Verteidigungsministerium entwickelt. Es ist ein System von mindestens 24 Satelliten Wobei 21 benötigt werden und 3 für den aktiven Ersatz, welche die Erde 2-mal pro Tag in einer nominellen Höhe von km umkreisen und Informationen zur Erde schicken. GPS Satelliten senden Signale aus, welche die genaue Ortsbestimmung eines GPS Empfängers ermöglichen. Das Global Positioning System (GPS) ist ein Verfahren mit dem man überall auf der Erde seine Position, wie die geographische Länge, Breite und die Höhe relativ zum Meeresspiegel, bestimmen kann. Abbildung 1: was ist GPS Seite 3

4 2. Geschichte Das GPS-Programm wurde mit der Gründung des JPO (Joint Program Office) im Jahre 1973 gestartet. Der erste GPS-Satellit wurde 1978 gestartet. Im Dezember 1993 wurde die anfängliche Funktionsbereitschaft festgestellt. Zu diesem Zeitpunkt waren 24 Satelliten im Einsatz. Die volle wurde im April 1995 erreicht und am bekannt gegeben. Um nicht-autorisierte Nutzer (militärische Gegner) von einer genauen Positionsbestimmung auszuschließen, wurde die Genauigkeit für Nutzer, die nicht über einen Schlüssel verfügen, künstlich verschlechtert. Am 1. Mai 2000 wurde diese künstliche Ungenauigkeit bei allen Satelliten abgeschaltet, so dass das System seitdem auch außerhalb des bisherigen exklusiven Anwendungsbereichs zur präzisen Positionsbestimmung genutzt werden kann. Am 25. September 2005 brachte eine Delta II-Rakete den ersten GPS-Satelliten der Baureihe GPS 2R-M (Modernized) in den Weltraum. Die Antenne wurde verbessert und das Sendespektrum um eine zweite zivile Frequenz und zwei neue militärische Signale erweitert. Abbildung 2: Der erste GPS-Satellit Seite 4

5 3. Aufbau Das gesamte GPS-System ist in drei Segmente aufgeteilt: - Weltraumsegment (Satelliten) Kontrollsegment (Kontrollstationen) Benutzersegment (GPS-Empfänger) Abbildung 3: Aufbau des GPS-Systems 3.1 Weltraumsegment (Satelliten) besteht aus mindestens 24 Satelliten der erste dieser Satelliten wurde bereits 1978 in seine Umlaufbahn gebracht mittlerweile gibt es fünf verschiedene Typen (Block I, Block II, Block IIA, Block IIR und Block IIF) dieser Satelliten, die im Laufe der Jahre weiter entwickelt wurden. Seite 5

6 3.1.1 Block I Satelliten Diese Block I Satelliten wurden Zwischen 1978 und 1985 gestartet. Heute sind sie jedoch außer Betrieb. Diese Satelliten waren für eine Lebensdauer von 4,5 Jahre gebaut. Einer der Satelliten war 13 Jahre lang in Betrieb. Abbildung 4: Block I Satelliten Block II Satelliten Im Jahr 1990 wurde der erste Block IIA-Satellit (A steht für "advanced") in seine Umlaufbahn gebracht. Diese Satelliten sind für eine Betriebsdauer von 7,5 Jahren ausgelegt. Die Block II und Block IIA Satelliten besitzen jeweils zwei stabile Atomuhren. Abbildung 5: Block II Satelliten Seite 6

7 Die Satelliten des Blocks IIR haben drei Atomuhren an Bord. Die als Erster eine zweite Frequenz für die zivile Nutzung unterstützen und ein neues militärisches Signal ermöglichen. Die nächste Generation der Satelliten (Block IIF) soll voraussichtlich über eine dritte Frequenz für die zivile Nutzung verfügen, die dann Positionsbestimmungen mit noch größerer Genauigkeit ermöglichen. 3.2 Kontrollsegment (Kontrollstationen) Das GPS-System liegt vollständig unter der Kontrolle der US-Armee. Zur Überwachung, Steuerung und Kontrolle der Satelliten dient eine "Master Control Station in Schriever, USA. Dabei berechnet die Station auch die Ephemeridendaten für jeden Satelliten, sowie die Daten für den Almanach 1. Vier weitere Monitorstationen der U.S. Luftstreitkräfte auf Hawaii, den Ascension Islands, Diego Garcia und Kwajalein wurden noch weitere sechs Monitorstationen der NGA (National Geospatial-Intelligence Agency) hinzugefügt. Dadurch kann jeder Satellit rund um die Uhr von mindestens zwei Monitorstationen empfangen werden. 2 Abbildung 6: Kontrollsegment (Kontrollstationen) Seite 7

8 3.3 Benutzersegment (GPS-Empfänger) Dieses Segment umfasst alle Zivilen und militärischen Nutzer, die nur mit der Hilfe ein GPS-Empfänger die Informationen von Satelliten erhalten und verwenden können. Abbildung 7: Benutzersegment (GPS-Empfänger) 4. Positionsbestimmung Für eine Ortsbestimmung werden normalerweise mindestens 3 Satelliten benötigt. Da aber die GPS-Empfänger nicht über eine so genaue Uhr verfügt, wird immer noch ein vierter Satellit nötig um die eigene Position festzustellen. Damit überall immer mindestens vier Satelliten zu empfangen sind, werden insgesamt mindestens 24 Satelliten benötigt. Jeder dieser Satelliten ist für eine Lebensdauer von 7,5 Jahren gebaut. Diese wird jedoch überschritten. Da aber häufiger Satelliten ausfallen und die Mindestzahl von 24 Satelliten nicht unterschritten werden darf, wurden 31 Satelliten in den Orbit gebracht. Die 24 Satelliten sind auf insgesamt 6 Bahnen verteilt, auf jeder dieser Bahn befinden sich vier Satelliten in einer Höhe von KM. 1 2 Almanachdaten: Informationen über Standort und Funktionsfähigkeit des Satelliten Seite 8

9 Mit wenigstens drei Satelliten kann der Empfänger seine Position auf der Erdoberfläche bestimmen. Dieser wird zweidimensional bestimmt. Mit Hilfe von vier oder mehr Satelliten kann eine absolute Position im Raum oder eben zusätzlich die Höhe über der Erdoberfläche bestimmt werden. Durch ständige Nebenrechnung der aktuellen Position, kann der GPSEmpfänger auch die genaue Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung berechnen. Abbildung 8: Positionsbestimmung 1 Vereinfacht gesagt sendet jeder Satellit eine Nachricht der Art: Ich bin Satellit Nr. N0, meine Position ist grad Xi, Yi, Zi und diese Nachricht wurde zum Zeitpunkt Ti versandt. Abbildung 9: Positionsbestimmung 2 Seite 9

10 Diese Informationen werden von GPS-Empfänger gespeichert und für die Rechnung der Position verwendet. Um nun die Position zu bestimmen, vergleicht der GPS-Empfänger die Zeit zu der das Signal ausgesandt wurde, mit der Zeit, zu der das Signal empfangen wurde. Aus dieser Zeitdifferenz kann die Entfernung zu den Satelliten berechnet werden. Die drei Entfernungen führen zur folgenden Gleichung: Entfernung Pi = Ausbreitungsgeschwindigkeit G *(Uhrzeit Empfänger T- Uhrzeit Satellit Ti) Pi= Die Satelliten sind mit einer Atomuhr einer extremen Genauigkeit ausgestattet, die die Signale hervorbringen und die Abfahrtszeit angeben. Der Empfänger am Boden, besitzt die präzisen Koordinaten der Umlaufbahnen aller Satelliten. Erhält das Signal eines Satellits und kann seine Position von dem bestimmen. Wenn wir die Daten von drei Satelliten kreuzen, bleiben nur zwei Punkte. Der Empfänger eliminiert den Punkt, der nicht auf der Erde steht. Die Satelliten sind mit Atomuhren ausgestattet, der Standardempfänger besitzt keine. Dies kann zu einer Verschiebung einer Sekunde bzw. ein Fehler von km führen! Um seine Position zu bestätigen braucht man einen vierten Satelliten, der die vorhergehenden Maßnahmen verbessert. Abbildung 10: Positionsbestimmung 3 Seite 10

11 5. Einsatzbereich GPS wurde ursprünglich nur für militärische Zwecke entwickelt. So wurde GPS anfangs vom amerikanischen Verteidigungsministerium entwickelt und Finanziert. Heute wird GPS immer noch in unterschiedlichen Waffensystem, Kriegsschiffen, Flugzeugen usw. verwendet. Aber die zivile Nutzung von GPS ist mittlerweile größer als die Militärische. Heute ist die Schifffahrt und Luftfahrt auf GPS angewiesen. Aber auch im Auto wird GPS immer häufiger genutzt und auch in der Vermessung ist GPS mittlerweile ein sehr wichtiger Bestandteil. Abbildung 11: Einsatzbereich 6. Galileo Galileo ist der Name des europäischen Satellitennavigationssystems. Allerdings wurde Galileo ursprünglich nur für zivile Zwecke konzipiert. Galileo basiert auf 30 Satelliten (27 plus drei Ersatz). Galileo steht nicht nur in Konkurrenz zum US-amerikanischen NAVSTAR-GPSSystem sondern können Daten künftig sowohl von den Galileo- als auch von den GPS und GLONASS-Satelliten empfangen und durch Kombination aller drei Signale eine sehr hohe Genauigkeit erzielen. Das System befindet sich noch im Aufbau und soll voraussichtlich 2013 komplett ausgebaut sein. Seite 11

12 7. Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: was ist GPS... 3 Abbildung 2: Der erste GPS-Satellit... 4 Abbildung 3: Aufbau des GPS-Systems... 5 Abbildung 4: Block I Satelliten... 6 Abbildung 5: Block II Satelliten... 6 Abbildung 6: Kontrollsegment (Kontrollstationen)...7 Abbildung 7: Benutzersegment (GPS-Empfänger)... 8 Abbildung 8: Positionsbestimmung Abbildung 9:Positionsbestimmung Abbildung 10: Positionsbestimmung 3 10 Abbildung 11: Einsatzbereich Seite 12

13 8.1 Quellenangaben 8.1 Abbildungen Abbildung 1: Abbildung 2: Abbildung 3: Abbildung 4: Abbildung 5: Abbildung 6: Abbildung 7: Abbildung 8: Abbildung 11: Textquellen Seite 13