GPS

Gliederung

1. Begriffserläuterung 

2. Die Geschichte der Positionsbestimmung

3. Die Entstehung von GPS

4. Der Aufbau des Systems

4.1. Das Space- Segment

Das Ground- Segment

Das User- Segment

5. Die Funktionsweise von GPS

5.1. Technischer Hintergrund

5.1.1.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

GPS- das „Global Positioning System”

Begriffserläuterung

(„Was ist GPS eigentlich?“)

Frage an die Schüler – „WAS IST GPS?“

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

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)

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)

Aufbau des Systems

gesamte System kann in drei Bereiche (Segmente) unterteilt werden

Space- Segment,

Ground- Segment und

User-Segment

4.1 Das Space- Segment (Raumsegment)

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

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

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€

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

T 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

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

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)

10 hoch 8 m

o       Verhältnisgleichung:  3 10 hoch 8 m / 1s= x / 1 10 hoch –6s

o       Ergebnis: x= 300m (!) Verfälschung     

Aber Atomuhr 100.000€ 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

Probleme in Praxis

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)

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

GPS in der Praxis

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)

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

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

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

10000 mal „ungenauer” ist als die Zeitmessung eines GPS- Empfängers

Weltweit präzise

genaue Zeitmessungen  notwendig: Synchronisation der Steuerung von globalen Kommunikationsanlagen zu ermöglichen

Andere Satellitennavigationssysteme

Glonass, ein Produkt des kalte Krieg

so wie Amerikaner GPS, Sowjets auch eigenes militärisches Navigationssystem- das 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

Galileo, die Antwort aus Europa

Projekt EU- Staaten: bis 2008  30 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 100000 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

Quellenangabe

Internet:

mca.bv.tu-berlin.de/~katrin/GPS.html

http://www.swix.ch/solg/gps/zeit.htm

http://www.bluewater.de/funknavi.htm

http://www.kh-gps.de/future.htm

http://www.esys.org/technik/gps_hist.html

www.forst.uni-muenchen.de/EXT/PUBL/quednau/gps.pdf

http://www.gis.univie.ac.at/karto/lehr/exkursion/hgex97/gps/gps.htm

http://www.user.xpoint.at/grueller/Artikel1.htm

http://www.kfunigraz.ac.at/expwww/physicbox/gps/gps_kap4.html

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