Die Aufgabe, ein Ziel auf dem optimalen Weg sicher und exakt zu erreichen, nahm die Menschheit seit jeher als besondere Herausforderung an. Im Laufe der Geschichte wurde alles Denkbare auf seine Verwendbarkeit als Orientierungshilfe untersucht, und so manche Erfindung war in der Tat bahnbrechend.

Das älteste Navigationsinstrument ist der Magnetkompaß. Seit mehr als tausend Jahren ist er in Gebrauch, und wird es , für den Notfall, wohl auch bleiben. Es folgten der Sextant und der Kreiselkompaß. Jedes dieser Navigationsinstrumente spiegelt den jeweiligen Stand der Technik seiner Zeit wider. Den vorläufigen Höhepunkt dieser Entwicklung repräsentiert die Ortung und Navigation via Satellit. Kaum eine andere Technologie hat sich so rasant entwickelt wie das GPS. Die heute vielfältigen Anwendungen des GPS entwickelten Spezialisten rund um den Erdball. Und auch die Zukunft der Technologie liegt in ihrer Vielseitigkeit. GPS-Empfänger werden unser Leben zunehmend verändern und in zahlreichen Anwendungsbereichen natürlicher Bestandteil unseres Alltags sein.

Entwickelt wurde das GPS-System vom amerikanischen Verteidigungsministerium und 1984 wurde es über den sogenannten C/A-Code auch für den zivilen Nutzen verfügbar gemacht. GPS-Empfänger werden immer kleiner, kompakter und billiger. Die Zahl, nichtmilitärischer Nutzer stieg innerhalb weniger Jahre rasant an. Heute werden ca. 90% aller verkauften  GPS-Empfänger für zivile Anwendungen eingesetzt.

GPS bedeutet: Global Positioning System, es ermöglicht genaue Positionsbestimmungen und ist damit ein unschätzbares Hilfsmittel für die Navigation. GPS basiert auf Satelliten, die  die Erde auf einer Höhe von rund 20.000 km umkreisen und Radiowellen im Mikrowellenbereich ausstrahlen. Mobile GPS-Empfangsgeräte können aus den Signallaufzeiten ihre Position bestimmen.

Es sind mindestens vier Satelliten notwendig, um den genauen Standort samt Höhenangabe zu bestimmen. Insgesamt sind um die Erde 24 GPS-Satelliten verteilt. Sie werden von den USA betrieben, Europa und China arbeiten gerade an eigenen Systemen.

In der Landwirtschaft wird GPS beim so genannten Precision Farming zur Positionsbestimmung der Maschinen auf dem Acker genutzt.

Wikipedia Stichworte:  GPS-Navigation, Satellitenortung, Navigation

Wie funktioniert GPS?

Alle GPS-Satelliten senden auf zwei Frequenzen. L1 (1575,42 Megahertz) überträgt den C/A-Code für zivile Nutzer. L2 (1227,6 Megahertz) überträgt den P-Code , welcher einzig und alleine dem militärischen Nutzen dient.

Das Signal eines Satelliten enthält folgende Informationen: Ich bin Satellit Nr. X, meine Position ist gerade Y und diese Nachricht wurde zum Zeitpunkt Z verschickt.

Der GPS-Empfänger erhält diese Signale und vergleicht den Zeitpunkt zu dem die Nachricht verschickt wurde mit dem Zeitpunkt, zu dem er sie empfangen hat. Die Differenz entspricht der Signallaufzeit.

Wie kann man aus der Signallaufzeit die Entfernung berechnen?

 

Grundformel für die Geschwindigkeit Gleichförmig geradlinige Bewegung
vst … Geschwindigkeit… Wegänderung… Zeit
Für die Bestimmung der Entfernung Satellit – GPS Gerät wird die Formel umgeformt, damit man mit ihr den Weg berechnen kann. Beachten Sie, dass wir nun die Größen v, s, und t der Situation angepasst benennen.
vst … Lichtgeschwindigkeit… Distanz Satellit – GPS Gerät… Signallaufzeit

 

Wie wird die Position berechnet?

Wurde die Entfernung zu einem einzelnen Satelliten ermittelt, kann sich die eigene Position auf einer Kugel um diesen Satelliten befinden, ihr Radius ist genau diese Entfernung. Kennt man die Entfernung zu einem zweiten Satelliten, so befindet sich die eigene Position auf dem Schnittpunkt der beiden Kugeln – und das ist ein Kreis. Wird noch die Entfernungskugel eines dritten Satelliten hinzugezogen, sind nur noch zwei Punkte als Position möglich, von denen einer aber ausgeschlossen werden kann, weil er sich nicht in der Nähe der Erde befindet. Ein vierter Satellit wird noch verwendet, um die schlechte Uhrengenauigkeit der Quarzuhr des GPS Empfänger herauszurechnen. Da die Signale nur etwa 0, 07 Sekunden Laufzeit haben, fällt der geringste Uhrenfehler ins Gewicht. Ein Uhrenfehler von 1 Millisekunde führt zu einem Positionsfehler von ca. 3000 km.

Wie genau arbeitet das GPS?

Standardpositionsbestimmung: ± 10 m
Positionsbestimmung mit DGPS: zentimetergenau

DGPS=Differential GPS: Bei DGPS werden Bodenstationen mit bekannten Koordinaten als Referenzstationen verwendet. Diese senden den GPS-Empfängern Korrektursignale, um zum Beispiel die durch atmosphärische Effekte verfälschte Position zu korrigieren. Dadurch lässt sich eine weitaus höhere Genauigkeit erreichen.

Welche Fehlerquellen gibt es bei der Positionsbestimmung mit GPS?

  1. Satellitengeometrie: Die Position wird ungenauer, wenn sich die Satelliten eher hintereinander als nebeneinander am Himmel befinden.
  2. Mehrwegeeffekt: Die Signale werden an Gebäuden oder Bergen reflektiert und verfälschen so die direkte Laufzeit.
  3. Atmosphärische Effekte: Sonnenwind kann das Erdmagnetfeld und die für die Signalausbreitung maßgeblichen Schichten der Atmosphäre – die Ionosphäre – verändern.
  4. Relativistische Effekte: Uhren im Schwerefeld gehen langsamer
  5. Das US-Verteidigungsministerium steuerte bis im Jahr 2000 künstlich aufgeprägte Systemfehler. Diese Technik ermöglichte ihnen eine stufenlose Regelung der von zivilen Nutzern erreichbaren Navigationsgenauigkeit.

Was kann man mit GPS sonst noch tun?

Mit den GPS-Signalen lässt sich auch die Geschwindigkeit des Empfängers bestimmen. Dieses erfolgt über die Messung des Dopplereffekts (die Frequenz der Radiowellen ändern sich, wenn Quelle bzw. Empfänger bewegt ist) oder auch die mathematische Differenzierung der Ortsfunktion nach der Zeit (Geschwindigkeit ist die „erste Ableitung“ der Ortsfunktion, die Größe der Geschwindigkeit gibt die Schnelligkeit der Ortsänderung an). Auch die Bewegungsrichtung des Empfängers kann ermittelt werden, das GPS Gerät wird damit zum Kompass. Bei aller Begeisterung für GPS tut man jedoch gut daran, die Grundfertigkeiten der Navigation mit Sonne, Sterne, Karte und Kompass zu üben, um die Abhängigkeit von komplexen Technologien und Regimen nicht allzu groß werden zu lassen.

Immer noch interessiert?

 

Link: http://www.kowoma.de/gps/

Link Artkel: http://www.heise.de/tp/artikel/27/27880/1.html

 

Quellen
Wikipedia (verwendete Artikel s. Seite 1 unten)
Bloomfield, How Things Work, Wiley VCH, 2001

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