Globales Positionierungssystem GPS

Das Globale Positionierungs System (GPS) ist ein weltweites, weltraumgestütztes Navigationssystem. Der Hauptteil dieses Systems besteht aus  NAVSTAR-Satelliten (NAVigation Satellite Timing And Ranging), mit denen ein GPS-Empfänger seine Position auf der Erde bis auf einige Meter genau berechnen kann (Genauigkeit bei Militär: kleiner als ein Zentimeter). Die 3 wichtigsten Teile des GPS-Systems sind: Satelliten, Kontroll-Einheiten, Benutzer-Einheit.

Satelliten: Es gibt 24 Satelliten, von denen  21 zur Navigation dienen, und 3 Reservesatelliten. Jeder dieser Satelliten hat eine ungefähre Ausdehnung von 5 Metern und wiegt ca. 900 kg. Die Satelliten kreisen in 6 Bahnen um die Erde. Die Ausrichtungen der Umlaufbahnen stellen sicher, dass der Anwender zu jeder Zeit zwischen 5 und 8 Satelliten von jedem Punkt der Erde aus "sehen" kann. Die Sendeleistung jedes Satelliten ist kleiner oder gleich 50 Watt. Jeder der Satelliten sendet zwei Signale aus, die Link 1

(L1 = 1575,42 MHz) und Link 2 (L2 = 1227,6 MHz) genannt werden.

Kontroll-Einheiten: Diese sind Bahnverfolgungs- bzw. Bahnüberwachungs-Stationen, die auf der ganzen Erde verteilt sind. Die Haupt-Steuer-Station befindet sich auf der Falcon AFB in Colorado Springs. Neben dieser Haupt-Steuer-Station gibt es auch noch einige kleinere Überwachungsstationen in Kwajalein, Hawaii, Diego Garcia und Ascension Island. Jede dieser Überwachungsstationen verfolgt alle von ihr aus "sichtbaren" GPS-Satelliten und überprüft die Signale, die die Satelliten aussenden.

Benutzer-Einheit: Eine Benutzer-Einheit besteht aus einem GPS-Empfänger und Zubehör (Antennen, Software,). Ein GPS-Empfänger nimmt das digitale GPS-Signal auf, dekodiert es und rechnet es in eine 3D-Position, Geschwindigkeit und Zeit um. Jeder Empfänger besitzt eine genaue Uhr, die zur Positionsbestimmung notwendig ist.   Der größte Fehler bei der Bestimmung der Position ist eine vom U.S. Department of Defense absichtlich geschaffene Verschlechterung der Genauigkeit, die es feindlichen und terroristischen Organisationen nicht möglich macht, die militärische Genauigkeit zu nutzen.

Prinzipielle Funktion:

GPS-Satellit

Der GPS-Empfänger mißt die Zeit, die das Signal für den Weg vom Satelliten zum Empfänger braucht. Um diese Zeit zu bestimmen, benötigt man eine sehr genaue Zeitmess-einrichtung.

Der Empfänger muß zusätzlich zur Entfernung auch die Position der einzelnen Satelliten kennen.

Bsp: Wenn wir die Entfernung zu einem Satelliten, z.B.18.000 km, messen, wissen wir, dass wir uns auf einer Kugeloberfläche befinden, die einen Radius  von 18.000 km (gemessen vom Satelliten) hat. Wissen wir jetzt die Entfernung zu einem zweiten Satelliten, z.B. 19.000 km, ergibt sich eine zweite Kugeloberfläche. Schneiden wir diese Kugeloberflächen miteinander, wissen wir, dass wir uns auf deren Schnittkreis befinden. Nach Messung zu einem dritten Satelliten bleiben nur noch zwei Punkte eines möglichen Aufenthalts über. Um den richtigen Aufenthaltsort zu bekommen, benötigt man eine vierte Messung.

Messung der Entfernung:

Das Problem der Zeitmessung ist, dass die Zeiten sehr kurz sind. Wenn sich der Satellit z.B. direkt über einem befindet, braucht das Signal ca. 0,06 Sekunden vom Satelliten zum Empfänger. Um die Zeit, die das Signal vom Sender zum Empfänger braucht, zu messen, läßt man beide zur gleichen Zeit ein Signal senden. Das vom Satelliten ausgesandte Signal kommt mit einer bestimmten Verspätung beim Empfänger an. Um die Entfernung zum Satelliten zu erhalten, muß man nur noch die Zeit, die das vom Satelliten ausgesandte Signal verspätet beim Empfänger ankommt, mit der Lichtgeschwindigkeit multiplizieren.

Um eine Synchronisation des Empfängers mit den Atomuhren der Satelliten zu erreichen, wird eine vierte Entfernungsmessung durchgeführt. Wenn die Zeit des Empfängers mit der des  Satelliten nicht übereinstimmt, schneidet sich die vierte Messung nicht mit den anderen drei in einem Punkt. Der Empfänger versucht einen Umrechnungsfaktor zu finden, bei dem sich alle vier Messungen in einem Punkt schneiden. Das führt zu einer perfekten Synchronisation mit der Uhr des Satelliten.

Fehler bei den Messungen:

Einer der Fehler bei der Entfernungsmessung ist der, dass wir mit der Lichtgeschwindigkeit des Vakuums rechnen, sich jedoch zwischen dem Satelliten und dem Empfänger nicht nur Vakuum befindet, und die Lichtgeschwindigkeit in jeder der verschiedenen Schichten der Atmosphäre etwas anders ist. Dieser Fehler wird größtenteils durch das Zwei-Frequenz-Verfahren, bei dem zwei Signale mit verschiedenen Frequenzen verwendet werden, kompensiert.

Andere Fehler können auftreten, wenn das Signal ein paar Mal von diversen Hindernissen abprallt, bevor es den Empfänger erreicht. Diese Fehler werden von teureren Empfängern ausgeglichen.

Eine andere Möglichkeit der Ungenauigkeit ergibt sich bei den Atomuhren, die zwar sehr genau, jedoch nicht perfekt sind, und durch die Positionen der Satelliten, die auch nicht immer hundertprozentig genau sind.

Außerdem gibt es die sogenannte GDOP (Geometric Dilution of Position), die Geometrische Abschwächung der Genauigkeit. Diese entsteht dadurch, dass ein Empfänger die nächstgelegenen Satelliten zur Positionsbestimmung verwendet. Das Problem dabei ist, dass sich die Schnittkreise unter sehr flachen Winkeln schneiden, was zu einer Grau-Zone bzw. zu einem zu großen Bereich der möglichen Position führen kann.

Dieser Fehler wird von guten Empfängern kompensiert, da diese etwas weiter entfernte Satelliten zur Positionsbestimmung verwenden. Bis auf die schon vorher erwähnte künstlich erzeugte Ungenauigkeit kann man die meisten dieser Fehler bei der Positionsbestimmung vernachlässigen.

DGPS: Differentielles GPS

DGPS: Differential Global Positioning System

Die Probleme bei der Verwendung des normalen GPS sind unter anderem, daß die Zeitsignale der Satelliten durch atmosphärische Störungen leicht verzögert sind womit die Positionsbestimmung im schlimmsten Fall um das Produkt der Zeitverzögerungen von der wirklichen Position abweichen kann. Um das zu verhindern benutzt man das Differentielle GPS.

Wenn zwei Empfänger relativ nahe zueinander stehen (ein paar 100km), müssen die Zeitsignale fast dieselben Schichten der Atmosphäre durchdringen und haben deswegen auf den Empfängern nahezu denselben Fehler. Das ist die Idee, die hinter DGPS steckt. Man verwendet einen Receiver, um die Verspätung (Delay) zu messen, und benutzt die Fehlerinformation, um die Positionsinformation des zweiten Empfängers zu korrigieren. Nötig ist dafür allerdings ein sehr genau ausgemessener Referenzpunkt. Das dort aufgestellte Gerät wird invers verwendet, d.h. es verwendet eine fixe Position, um daraus Sollzeitsignale zu berechnen, welche mit den von den Satelliten ausgesendeten Signalen verglichen werden.

Die Information, die dem "roving receiver", dem bewegten Empfänger zugeschickt werden muß, hat daher folgendes Format:

Der Referenzreceiver weiß natürlich nicht, welche Satelliten der roving receiver zur Positionsbestimmung verwendet, deswegen schickt er alle Delays, die er berechnen kann (also aller Satelliten, die er "sieht") zum roving receiver.

Um DGPS zu verwenden hat man die Möglichkeit eine Referenzstation zu installieren (wurde früher von Ölfirmen und Vermessern gemacht) oder man benutzt bereits vorhandene frei zugängliche Anlagen (in den USA z.B.: von der US Coast Guard). Diese Sender arbeiten im 300 kHz-Bereich. Die meisten GPS-Empfänger haben entweder einen schon eingebauten 300 kHz-Empfänger oder haben Eingänge für die Fehlerkorrektur durch externe Empfänger.

Mithilfe von DGPS lassen sich die meisten Fehler (auch ein Teil der vom Verteidigungsministerium geschaffenen Ungenauigkeit) auf ein erträgliches Ausmaß reduzieren.