GPS

GPS, das Global Positioning System ist die Grundlage für alle modernen Navigations - und Ortungssysteme im Bereich der Land- ,Luft, - und Seenavigation.

Es ist ein satellitengestützter Mobilfunkdienst, der in den 70er Jahren vom amerikanischen Verteidigungsministerium für militärische Zwecke aufgebaut wurde und auch heute noch unterhalten wird. Die Leitzentrale "Master Control Station" für das GPS befindet sich in der Schriever Air Force Base (ehemals Falcon AFB), in der Nähe von Colorado Springs.

Das System besteht aus 24 Satelliten, die auf sechs kreisförmigen Bahnen im 24 Stunden Rhythmus in einer Entfernung von rund 20 000km um die Erde kreisen.

Diese Anordnung stellt sicher, daß immer mindestens das Signal von vier Satelliten erfaßt werden kann. Dies stellt die Positionsberechnung mittels Triangulationsprinzip (mind. drei Satelliten) sicher. Hier bei können über gemometrische Berechnungen die Entfernungen zum Satelliten anhand der Signallaufzeit berechnet werden. Da die Postition von mindestens drei Satteliten bekannt ist, kann damit die Position bestimmt werden.

Jeder Satellit sendet 50 mal pro Sekunde drei verschiedene Signale: Den Pseude-Zufalls-Code (zur Positionsbestimmung), das Almanach-Signal (Satellitenstandort) und das Zeitkorrektur-Signal (Zeitbestimmung).

Der Pseudo-Zufalls-Code wird auf zwei unterschiedlichen Frequenzen ausgesendet. Der eine ist für die militärische Nutzung, der zweite für die zivile Nutzung vorgesehen. Für die zivile Nutzung wurde das Signal bis Mai 2000 mit einem künstlichen Timing-Fehler versehen, der die Genauigkeit der Positionsbestimmung auf ca. 100 m beschränkte. Am 2.Mai 2000 um 5:05 Uhr wurde die Signalverschleierung - selective availability - kurz SA" dann abgeschaltet.

Mit mathematischen Funktionen im Empfängerteil von hochwertigen GPS Receivern konnte der Timingfehler in den Jahren bis 2000 jedoch auch korrigiert werden, so daß Genauigkeiten von 20 bis 30 Metern machbar waren. Heute ist die Genauigkeit der Positionsbestimmung durch die Aufhebung der `Signalverschleierung(SA)` für die zivile Nutzung mit 5-25 Metern Abweichung , je nach verwendetem GPS-Empfänger, für die einfache zivile Nutzung mehr als ausreichend. Je nach Stellung der Satelliten am Himmel ist die Qualität des GPS-Signals jedoch auch stark zeit- und ortsabhängig.

Für die Güte der Satellitengeometrie wird der DOP-Wert angegeben. H-DOP für den horizontalen Wert und V-DOP für den vertikalen Wert(dieser ist jedoch im Bereich Strassennavigation nicht weiter von Bedeutung. So sind HDOP-Werte unter 4 sehr gut, über 8 jedoch schlecht. Die HDOP Werte werden schlechter, wenn sich die empfangenen Satelliten hoch am Himmel befinden. VDOP Werte hingegen sind eher schlechter, wenn sich die Satelliten sehr nahe am Horizont befinden. Die HDOP und VDOP Werte werden im NMEA-Satz $GPGSA ausgegeben.

GPS-Signale werden in einem sehr hohen Frequenzbereich (~ 1,5 GHZ ) ausgesendet, um die weiten Distanzen problemlos zurückzulegen. Nachteil der hohen Frequenzen ist die leichte Abschirmbarkeit der Signale bei fehlender Sichtverbindung zum Himmel z.B. in Gebäuden. Zur Nutzung von GPS-Signalen in Gebäuden gibt es mittlerweile Spezialantennen die einen Empfang in Gebäuden ermöglichen. Deshalb sollte beim Aufbau eigener präziser GPS-Anwendungen grundsätzlich vor allem auf eine hohe Qualität der Antenne geachtet werden("Jedes GPS-Anwendung ist so gut wie seine Antenne" - Joe Wynders/GPS-Systems for High Precision/2004).

Um das GPS Signal für die Navigation verwenden zu können, benötigt man das passende Kartenmaterial, das in digitaler vektorisierter Form vorliegen muß. Die Vektorform wird benötigt, um mittels mathematischer Funktionen eine Routenberechnung durchführen zu können.

Die Positionmarkierungen des Kartenmaterials werden so mit dem empfangenen Signal abgeglichen und die Route zu einem definierten Zielpunkt kann berechnet werden.

Zukünftig wird vor allem GALILEO, ein GPS-System der europäischen Gemeinschaft, das mittlerweile veraltete GPS-System der Amerikaner revolutionieren und der bestehenden Abhängigkeit der EU vorbeugen. Die Inbetriebnahme ist für 2008 geplant.

GPS-Module sind inzwischen auch recht preiswert mit RS232 Schnittstelle für Mikrocontroller erhältlich.

Typen von GPS-Satelliten

Man unterscheidet fünf Klassen von GPS-Satelliten: Block I, Block II, Block IIA, Block IIF und Block IIR-Satelliten.

Block I

Zwischen 1978 und 1985 wurden von Kalifornien elf Block I-Satelliten (Masse 845 kg) gestartet, von denen heute keiner mehr in Betrieb ist, von denen jedoch einige, obwohl nur für 4,5 Jahre konzipiert, mehr als 10 Jahre in Betrieb waren.

Block II

Die Konstellation der Block II-Satelliten unterscheidet sich durch die Inklination der Bahnebenen von 55 von der der Block I-Satelliten (63 ). Des weiteren waren sämtliche Signale der Block I-Satelliten zivilen Nutzern zugänglich, die der Block II-Satelliten jedoch nur eingeschränkt. Der erste Block II-Satellit kostete an die $ 50 Mio., wog mehr als 1.500 kg und wurde 1989 von Cape Canaveral gestartet. Block II-Satelliten sind für 7,5 Jahre ausgelegt und erreichen eine durchschnittliche Betriebsdauer von 6 Jahren.

Block IIA

Der erste Block IIA-Satellit (A : advanced) wurde 1990 in die Umlaufbahn geschossen.

Block IIR

Die Block IIR-Satelliten (R.replacement) mit einer angestrebten Betriebsdauer von 10 Jahren befinden sich noch in Entwicklung (1992) und werden vorraussichtlich Wasserstoff-Maser an Bord haben. Diese Atomuhren sind mindestens um eine Größenordnung genauer als die an Bord der Block II-Satelliten befindlichen Atomuhren. Satelliten vom Typ Block IIR wiegen mehr als 2.000 kg, kosten jedoch nur die Hälfte wie solche vom Typ II. Block IIR-Satelliten sollen mit Hilfe eines Space Shuttle in die Umlaufbahn gebracht werden, wobei jeder Shuttle bis zu drei Satelliten in die Umlaufbahn bringen könnte, was eine schnelle Vervollständigung der Satellitenkonstellation ermöglicht.

Block IIF

Die nächste Generation von Satelliten, die vom Typ IIF (F: follow on) werden zwischen 2000 und 2010 gestartet werden, ausgelegt für einen Betrieb von mindestens 10 Jahren.

--Bernd 15:39, 13. Dez 2005 (CET)