GPS Global Positioning System

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Barbara Koch
vor 6 Jahren
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1 GPS Global Positioning System Navigation ist ein altes Problem. Generationen haben daran gearbeitet und es stetig den technischen Gegebenheiten angepasst und weiterentwickelt: Entwicklungsstufen: Sterne, Sonne, Mond Magnetkompass ( ca 1000 Jahre in Gebrauch) Sextant Kreiselkompass Trägheits Navigations Plattform Satellitensysteme Die Genauigkeiten der verschiedenen Systeme.

2 Satellitennavigation Sie basiert auf der genauen Messung von Signallaufzeiten zwischen Sender und Empfänger. Entfernungs und Phasenmessung.

3 Die Entwicklung des GPS 1975 Nach dem Sputnik Erfolg wird in USA ein Patent eingereicht: ' Method of Navigation' das auf Dopplermessungen von Satellitensignalen beruht Die Idee wird realisiert in Form von TRANSIT in den USA und als TZIKADE in der UdSSR 1973 erste Überlegungen für ein GPS im US DoD. NAVSTAR GPS in USA GLONASS in der UdSSR Satelliten der USA im Orbit Satelliten auf 6 Bahnebenen ( plus Reserve) GPS geht voll in Betrieb. Bahnneigung: 55 grad Höhe: 20200km Umlaufzeit: 12 Stunden. Damit können immer und überall auf der Erde mindestens 4 Satelliten gleichzeitig empfangen werden 1995 GLONASS geht in Betrieb

4 Eigenschaften des GPS: hohe Präzision kontinuierlich verfügbar wetterunabhängig hohe Genauigkeit: dynamisch: 100m statisch: < 1mm vom Militär kontrolliert politische und industriepolitische Problematik

5 Messprinzip Gesteuert von einer hochpräzisen Uhr in den Satelliten ( Rb, Cs Frequenznormal MHz ) wird in kurzen Zeitintervallen ein elektromagnetisches Signal ausgesendet das die Sendezeit sowie Informationen über den aktuellen Ort des Satelliten zum Sendezeitpunkt und Informationen über die Bahndaten aller anderen Satelliten enthält. Die Positionen der Satelliten ím Raum sind bekannt. Die Abstände zu den Satelliten werden gemessen. 3 Messungen verschiedener Abstände ergeben die x,y,z Koordinaten des Standorts, eine vierte Messung wird zur Reduktion des Uhrenfehlers im Empfänger benutzt. Damit können im Empfänger Uhren niedirger Genauigkeit ( billiger) benutzt werden.

6 Signalformen Alle Satelliten senden auf den gleichen Frequenzen. Um die Signale den Satelliten zugeordnet zu können wird ein Code Multiplex Verfahren benutzt. Jeder Satellit hat einen eigenen Code, den der Empfänger kennen muss. Als Code wird 'Pseudo Random Noise' benutzt, d.h. eine Reihe von 0 und 1 die zufällig aussehen. Ein Betrachter von aussen identifiziert das als Rauschen. Codes werden einem Träger aufmoduliert. Das Verfahren bezeichnet man als 'Bi Phase Shift Keying' BPSK. Bei jedem Wechsel von 0 auf 1 oder 1 nach 0 im Codesignal wird die Phasenlage des Trägers von 0 grad nach 180grad und entsprechend von 180grad nach 0 grad geändert. Die Information wird dann im Gegentaktverfahren auf einen Träger auf-moduliert. Im Frequenzspektrum ist das Trägersignal nicht mehr von den anderen Frequenzanteilen unterscheidbar. ( Der Träger ist unterdrückt) Die Frequenzanteile des neuen Signals breiten sich über ein Band aus, das von der Taktrate des Codes und der Frequenz des Trägers abhängt. Das Ganze nennt man ' Spread Spectrum Technique' Eigenschaften: Störsicherheit gegen fremde Träger der Gegner kann nicht feststellen, ob der Satellit überhaupt etwas sendet

7 die GPS Signale liegen in Erdnähe unterhalb des thermischen Rauschens

8 Empfängertechnik Das Trägersignal muss wieder aus dem Rauschen restauriert werden. Dazu wird das Empfängersignal digitalisiert und mit den Satellitencodes korreliert. Rastet die Korellation ein, dann ist das Satellitensignal gefunden. C/A Code ( Coarse Acquisition) Länge 1023 Bit Takt 1.023MHz Wiederholrate 1 msec Bitlänge usec ( m) P Code ( Precision Code ) Länge 1023 Bit Takt 10.23MHz Wiederholrate 267 Tage Bitlänge usec ( m) Die Signallauftzeiten werden in der Ionospäre beeinflusst. Dieser Effekt ist frequenzabhängig. Er kann durch Verwenden von zwei verschiedenen Frequenzen korrigiert werden. Es gibt daher L MHz (154 x MHz) L MHz (120 x MHz) Der P Code und die Navigationsinformation (50 Bit/sec) wird auf L1 und L2 gesendet, der C/A Code plus die Daten wird nur auf L1 gesendet. Die USA bieten mehrere Dienste an: SPS Standard Positioning Service. Er hat eine Genauigkeit von m. Das wird durch einen künstlich verschlechterten C/A Code erreicht. (langsame Modulation um den wahren Wert) PPS Prcise Positioning Service. Er hat eine Auflösung von 16m wird aber nur auf Antrag ausgewählten Einrichtungen zugänglich. SA Selective Availability. Die USA behalten sich vor, den Service in Krisenfällen ( bzw. was sie dafür halten ) zu verschlechtern. DGPS differentielles GPS umgeht die Genauigkeitsprobleme. Ein GPS Empfänger an einer festen, genau bekannten Position registriert die Fehler und meldet sie dem beweglichen GPS zur Korrektur. Es werden Genauigkeiten von einigen cm erreicht.

10 Funktion von GPS Empfängern Drei Hauptfunktionen machen die Struktur eines GPS Empfängers aus: Signalempfang in einem der beiden Frequenzkanäle L1/L2 Signalverarbeitung mit Signalacquisition und Signalverfolgung Messwertverarbeitung mit Berechnung und Ausgabe von Position, Geschwindigkeit und Zeit. Antenne Signalverarbeitung Messwertverarbeitung Filter Vorverstärker 1.Abwärtsmischer Oszillator Korrelator Code Nachführung Träger Nachführung Datendemodulation Signal Prozessor Prozessor Anzeige und Bedieneinheit Datenausgang 1. Eine omnidirektionale Antenne empfängt die L Band Signale. 2. Ein Bandfilter mit einer Mittenfrequenz von MHz und einer Bandbreite von MHz für einen C/A Code Empfänger begrenzt das Signal und führt es einem rauscharmen Verstärker zu. 3. Das empfangene Signal wird dann mit den Codes korreliert, die im Empfänger gespeichert sind. 4. Die Signalverfolgung beginnt mit der Feststellung, welcher Satellit zu sehen sein könnte. Hat man einen empfangen, dann kennt man aus der Navigations Message die Bahndaten aller 24 Satelliten. 5. Zur Verfolgung der Signale werden zwei Regelkreise, die Carrier Tracking Loop und die Code Tracking Loop verwendet. Der Empfänger kennt den 1023 Bit langen PRN Code jedes Satelliten und vergleicht ihn mit dem Empfängersignal. Hat er das Signal gefunden,

11 dann restauriert er aus dem gespreizten Spektrum das ursprüngliche Trägersignal zurück. 6. Der Empfänger verändert das Trägersignal nach Frequenz und Phase bis die optimale Korrelation erreicht ist. Die Code Signal Verschiebung (bezogen auf einen für alle empfangenen Signale festgelegten Zeitpunkt) stellt zum Korrelationszeitpunkt die (pseudo) Zeitmessung dar. Die Verschiebung der Frequenz ist die Dopplerverschiebung, die Trägerphase kann zur Feinmessung benutzt werden. Danach wird die Navigations Message ( 50 Bit/sec) detektiert, die in dem 1500 Bit langen Datenframe den 17 Bit Z Count enthält, der über den Sendezeitpunkt des Signals Auskunft gibt. Damit stehen zur Verfügung. Zeitmessungen bezüglich der empfängereigenen Uhr zu vier Satelliten die x,y,z Koordinaten der Satelliten zum Sendezeitpunkt die Sendezeitpunkte Daraus kann die Position der Antenne, die exakte Zeit auf der Basis der Satellitenuhren und über die Dopplermessung des Trägersignals die Geschwindigkeit berechnet werden. 1983/84: erster GPS Empfänger, Gewicht: 28kg, Leistungsaufnahme 110W, $/Stück. 1996: Gewicht. 500g, Leistungsaufnahme. 1-2W, 600$/Stück Der GPS Empfänger ist zum Sensor geworden. Heute ist die gesamte Elektronik auf einer 5cm x 5 cm grossen Platine untergebracht. Das Gewicht ist ca. 100g, die Leistungsaufnahme ca. 1.5 W bei 5V. Anwendungen: Navigation für Hobbysegler in LKWs zur Optimierung von Weg und Fahrzeiten in Rettungsfahrzeugen zur Erfassung des Lagerorts von Sondermüll zur Erfassung von Ertrag, Düngung, etc. in der Landwirtschaft

12 möglicherweise zum Abkassieren auf Autobahnen zur Navigation im Auto Navigation von Flugzeugen ( zur Kalibrierung von Trägheitssystemen)

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