Gps

Global Positioning System (zu deutsch: "Weltweite Standortbestimmung"; kurz GPS) ist ein Gerät zur Positionsbestimmung in der heutigen, modernen Navigation. Es wurde in den achziger Jahren vom amerikanischen Verteidigungsministerium (Department of Defense DoD) aufgebaut, und kostete rund 10 Milliarden Dollar. Im ersten Sinn war das GPS vor allem für die Verteidigung entwickelt worden, und ist deshalb gegen Störungen von außerhalb parktisch immun. Mit einem GPS-Empfänger kann man heute die Navigationsprobleme zu Wasser, zu Lande und in der Luft lösen. GPS eignet sich ausserdem auch zu vermessungstechnischen Aufgaben, bei denen freie Sicht zum Himmel herrscht. Das System wird natürlich ständig weiterentwickelt.
Das gesamte GPS-System ist in 3 Hauptsegmente eingeteilt:


1. Das Weltraumsegment
Die eigentliche Funktion des GPS liegt in den Satelliten, von denen Positionsdaten zu exakt vorgegebenen Zeiten zur Erde gesendet werden. Die Umlaufbahnen der Satelliten über der Erdoberfläche beträgt rund 20200 km. Jeder dieser Satelliten umrundet die Erde in 11 Stunden 58 Minuten. Das heisst, dass jeder Satellit die Erde 2 mal am Tag umrundet. Momentan werden 24 Satelliten für die Navigation verwendet, wobei dies keine fixe Zahl ist. Um eine GPS-Position zu bekommen, braucht man mindestens 3 Satelliten gleichzeitig. (Der Grund dafür wird später erläutert) Die Satelliten bewegen sich auf 6 Bahnen mit einer Neigung von 55° (Inklination) gegen den Äquator. Jeder dieser ~24 Satelliten hat einen Sender, einen Empfänger, eine Antenne und mehrere Atomuhren (Cäsium- oder Rubidiumuhren). Die Satelliten haben deshalb so viele Uhren, da die genaue Uhrzeit im GPS-System eine entscheidente Rolle spielt. Die Atomuhren in den Satelliten haben eine Genauigkeit von bis zu 10E-14 ( Die Atomuhr geht in rund 3 Millionen Jahren nur 1 Sekunde falsch).
Die Satelliten strahlen ununterbrochen 2 verschiedene Trägerfrequenzen aus (L1 & L2). L1 ist für die zivile (C/A-Code) und militärische (P-Code) Benutzung; L2 ist nur für die militärische. Der Unterschied zwischen C/A-Code ("Coarse/Acquisition") und P-Code ("Precision") ist, dass der zivile Benutzer eine geringere Auflösung hat als der militärische.


2. Das Kontrollsegment
Das Kontrollsystem ist einzig und alleine in der Hand der US Armee. Es wird gebildet von der "Master Kontroll Station" (befindet sich in Colorado Springs), und vier weiteren Stationen: ● Hawaii

● Ascension Island
● Diego Garcia

● Kwajalein
Die von den Monitorstationen gesammelten Daten werden von der Master Station abgerufen die dann aus diesen Daten die Ephemeriden (=Daten über die Umlaufbahn) und das zukünftige Verhalten der Satellitenuhren berechnet. Diese berechneten Daten werden zu einem Datensignal zusammengestellt und anschliessend mit Bodenantennen alle 8 Stunden an die entsprechenden Satelliten geschickt.

3. Das Benutzersegment
Es besteht aus einem Empfänger und einer Antenne. Von allen Satelliten die sich über dem Horizont bewegen empfängt die Antenne Signale, die vom Empfänger identifiziert, und eventuell gespeichert werden. Aus diesem Datenmaterial wird schlussendlich die Entfernung zwischen dem Standpunkt und den Satelliten berechnet. Anders gesagt ist der GPS-Empfänger eigentlich nur ein Radio, da man mit ihm nur eine Frequenz empfangen kann. Zwar ist die Umwandlung der Daten etwas aufwendigere Technik, doch ein Fachmann findet nichts extrem Aufwendiges daran. Deshalb sind die heutigen GPS-Empfänger (relativ) billig und robust.


Funktion

Jetzt drängt sich jedoch die Frage auf: "Wie kann ein GPS-Empfänger seine Position mit Hilfe der Satelliten bestimmen?" Die Antwort ist jedoch ziemlich einfach, weil die Ortsbestimmung des Empfängers einem einfachem physikalischen Prinzip folgt:
Da sich die elektromagnetischen Wellen mit Lichtgeschwindigkeit (C-2,99792458 x 108 m/s) ausbreiten, und man die Zeit weiß, die ein Signal von einem Satellit bis zum Empfänger braucht, kann man sich mit einer einfachen Gleichung die Entfernung ausrechnen:

Weg = Geschwindigkeit x Zeit

Vom Satellit muss daher ein Signal gesendet werden, dass die Startzeit und auch seine genaue Position enthält. Da die Lichtgeschwindigkeit jedoch sehr groß ist, muss für eine gute Positionsbestimmung eine sehr genaue Uhrzeit vorhanden sein. Die Uhrzeit in den Satelliten wird immer auf 10 ns synchronisiert, denn bereits ein Fehlgang der Uhr von nur 1 Mikrosekunde würde einen Positionsfehler von ~300 m zur Folge haben. Eine so genaue Uhrzeit erreicht man aber nur mit Atomuhren.
Wenn man aber nur die Entfernung zu einem Satelliten hat, dann könnte man sich überall auf einer Kugeloberfläche (mit der gemessenen Entfernung als Radius) um diesen Satelliten befinden. Wenn man aber zwei Satelliten benutzt, dann erhällt man einen Schnittkreis der beiden "Entfernungskugeln". Dieser Schnittkreis gibt also noch immer keine genaue Position des Empfängers. Erst bei dem Empfang eines dritten Satelliten erhält man als Schnittergebnis den Standpunkt.
Da man aber im GPS-Empfänger keine Atomuhr hat (da diese viel zu groß und zu teuer wäre), und Quarzuhren aufgrund der hohen Lichtgeschwindigkeit viel zu große Fehler machen, ist das Problem am einfachsten mit einem vierten Satelliten zu lösen. Mit diesem vierten Satelliten (und seiner zusätzlichen Messung) kann der Zeitfehler eliminiert werden, und man erhält eine Position auf ca 5 bis 10 Meter genau.