GPS wie funktioniert's - Ausarbeitung
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GPS wie
funktioniert’s
Ausarbeitung
Martin Harbich
Ausarbeitung eines Vortrags über GPS. Behandelt
werden die grundlegenden Techniken der globalen
Satellitennavigation am Beispiel des US-
amerikanischen NAVSTAR-GPS
Martin Harbich
Matrikelnummer
343815
2010
Inhaltsverzeichniss 1 Einführung……………………………………………..…………………….………3 2 Navigationssysteme………………………………………………………..….4-8 3 Historie……………………………………………………………………………..….8 4 GPS-Systemaufbau……………………………………………………..……..9-12 5 Satellitensignale……………………………………………………..………13-14 6 Positionsbestimmung……………………………………………………..15-18 7 Fehlerquellen…………………………………………………………………18-22 8 Quellenangabe………………………………………………………………..22-25 Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 2
GPS Wie funktioniert‘s. Einführung GPS, vollständiger Name NAVSTAR (Navigation System for Timing and Ranging) ist ein globales Satteliten Navigationssystem (GNSS) zur Positionsbestimmung und Zeitmessung. Die Entwicklung des Systems geht bis in die frühen 70er Jahre zurück. Das System wird seit dem fortlaufend weiter entwickelt. Mit GPS ist es möglich durch bekannte Position der Satelliten im Weltraum den Genauen Standort (Koordinaten: geographische Länge, Breite und Höhe) mit einer Genauigkeit von 20 Metern bis zu ca. 1 Millimeter sowie die exakte Zeit (Weltzeit:Universal Time Coordinated, UTC) mit einer Genauigkeit im Bereich von 60 Nanosekunden bis zu 5 Nanosekunden, im erdnahen Raum zu bestimmen. Aus den Koordinaten und der Zeit können Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung (Kurs) abgeleitet werden. Gegründet und betrieben wird das System vom amerikanischen Verteidigungsministerium (DoD), das auch die Kontrolle über das System hat. GPS wurde anfangs nur für militärische Zwecke eingesetzt und wurde vor allem in Waffensystemen, Kriegsschiffen und Flugzeugen verwendet. Hauptgrund für die Entwicklung waren die schwächen ältere Navigationssysteme (Transit der Vorläufer von GPS) und die damit verbundenen Schwierigkeiten im Vietnamkrieg. Seit 08.12.1993 ist das System auch für die zivile Nutzung freigegeben (Anfangs nur mit künstlicher Signalverfälschung, SA). Seitdem hat GPS rasch Einzug in unserem Alltag erlangt. Privatleute setzen GPS-Empfänger ein, um sich von A nach B lotsen zu lassen. In LKW-Flotten tragen die Geräte dazu bei, die Logistik zu optimieren. Die Geräte in Fahrzeugen zum Beispiel von Speditionen ermitteln nicht nur ihre Position, sondern melden sie per Funk auch an die Zentrale. In der Landwirtschaft wird es beim so genannten Precision Farming zur Positionsbestimmung der Maschinen auf dem Acker genutzt. Ebenso wird GPS im Leistungssport verwendet. Zur Überwachung bestimmter Fahrzeuge und Fahrer wird GPS von der deutschen Polizei für Ermittlungen eingesetzt. Auch die modernen Ausführungen der Elektronischen Fußfessel sind mit GPS ausgerüstet. Speziell für den Einsatz in Mobiltelefonen wurde das Assisted GPS (A-GPS) entwickelt. Die Entwicklung ziviler GPS- basierter Systeme ist in den USA längst ein wichtiger Wirtschaftzweig geworden. Pro Jahr werden hier ca. 8 Milliarden Dollar umgesetzt Das erklärt auch die Abschaltung von SA (künstliche Signalverfälschung) im Jahre 2000. Neben den oben genannten Einsatzgebieten gibt es zwei Bereiche die recht interessant sind. Im Rettungswesen wird geplant, alle neuen Handys mit zusätzlicher Technologie auszurüsten, damit beim Aktivieren der Notfalltaste die Rettungsdienste den Rufer schneller und genauer lokalisieren können. Die Bereitstellung einer exakten Zeit, GPS wird die UTC (Universal Time Coordinated) nun auf 40*10-9 sec genau liefern, dadurch können elektromagnetische Signale erheblich besser und kostengünstiger synchronisiert werden. Ein wichtiger Punkt für die Datentransferrate in Computer und Mobilfunk-Netzwerken Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 3
Navigationssystem
(astronomisch, terrestrisch, technisch)
Das Bedürfnis zu wissen an welchen Ort man sich befindet und wie man wieder dorthin
zurückfindet ist ein grundlegendes Bedürfnis der Menschheit. Unsere Vorfahren in geraumer
Vorzeit hatten schon Verfahren entwickelt um sich die Weg zu ihrem Lager oder Jagdplätzen zu
merken. Möglicherweise durch die Errichtung von Steinhaufen als Wegweiser.
Durch den technischen Fortschritt der Menschheit in See und Luftfahrt wurde das Bedürfnis der
exakten Ortbestimmung weiter verstärkt.
Im Lauf der Zeit wurden einige Verfahren zur Navigation entwickelt, auf die ich kurz eingehen
werde.
Astronomische Navigation
Die Astronomische Navigation beinhaltet alle Verfahren, die auf Messung von Gestirnen
(Sonne, Mond, Planeten oder ausgewählten Fixsternen) beruhen. Für die Seefahrer im 16.
Jahrhundert war es die einzige Navigationsmöglichkeit, ohne die Christoph Kolumbus
wohlmöglich nie Amerika entdeckt hätte.
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Abbildung 1, Quelle http://de.wikipedia.org/wiki/Sextant
Mit einem Sextant (siehe Abbildung) wird hier die Höhe der Sonne über dem Horizont
gemessen. Mit der zusätzlich gemessenen Zeit kann eine Position bestimmt werden.
In einem nautischen Almanach, kann ein genauer Punkt abgelesen werden an dem die Sonne
zum Messzeitpunkt senkrecht über dem Zenit stand. Einige Zeit später wiederholt man die
Messung und errechnet den Wickel der beiden Messpunkte.
Der große Nachteil dieser Navigationstechnik ist die Ungenauigkeit der Messung
(Abweichungen bis zu 100km) und die Abhängigkeit des Wetters. Außerdem sind immer zwei
Messungen mit ausreichend zeitlichem Abstand notwendig. Grade bei unbeständigem Wetter ist
dies nicht immer Möglich.
Terrestrische Navigation
Terrestrische Navigation nennt man die Standortbestimmung auf See mit Hilfe von
terrestrischen Standlinien, die in eine Seekarte eingezeichnet werden. Die berechnete Position
wird in der Seekarte als beobachteter Ort inklusive Bordzeit eingetragen. Nach den gleichen
Prinzipien funktioniert auch die Navigation mit Kompass und Karte im Gelände
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Elektronische Navigation (Radar , Funk, Sattelitennavigation) Mit Radar können Objekte bei schlechten Sichtverhältnissen erkannt und gepeilt werden. Das Prinzip beruht auf Senden und Empfangen von Mikrowellen-Impulsen. Ein Sender erzeugt periodisch Mikorwellen-Impulse, deren Reflektion von einem Empfänger ausgewertet wird. Stromleitende Objekte wie Schiffe oder nasse Gegenstände reflektieren diese Strahlen. Anhand der Laufzeit ermittelt das Radar-System die Entfernung des jeweiligen Objektes. Bei der Funknavigation erfolgt die Positionsbestimmung über Radiowellen. Die Signale werden von speziellen Sendestationen ausgestrahlt. Ein Empfänger kann mit Hilfe der Radiowellen seine Position bestimmen. Man unterscheidet zwischen Peilverfahren und Hyperbelverfahren. Bei den Peilverfahren wird die Richtung eines Signals bestimmt. Dabei wird entweder das Signal vom Sender gerichtet abgestrahlt oder der Empfänger kann mittels einer geeigneten Antenne die Herkunftsrichtung bestimmen. Ist die Richtung zweier Sendestationen bekannt, so kann man daraus eine Position berechnen. Man spricht dabei von Kreuzpeilung. (siehe Abbildung 2). Abbildung 2, Quelle http://de.wikipedia.org/wiki/Funknavigation Bei den Hyperbelverfahren werden die Radiowellen von mindestens drei Sendestationen zeitgleich gesendet. Der Empfänger empfängt die Signale zeitlich versetzt und kann aus den unterschiedlichen Signallaufzeiten seine Position relativ zu den Sendestationen bestimmen. Da die Position des Senders bekannt ist lässt sich daraus die geographische Position ableiten. Bei Hyperbelverfahren wird also ähnlich wie bei GPS die Position nicht durch Richtungs- sondern durch Entfernungsbestimmung von einem Empfänger zu mehreren positionsbekannten Sendern bestimmt. Da sich aus den Signalen von nur zwei Sendestationen mehrere Möglichkeiten für die errechnete Position ergeben, die auf einer Hyperbel liegen, benötigt man mindestens drei Stationen. Wir werden im weitern Verlauf der Ausarbeitung die Parallelen zu GPS erkennen. Auch bei GPS benötigt man mindesten 3 Satelliten um eine exakte Position zu bestimmen. Die bekanntesten Hyperbelnavigationssysteme sind LORAN C und Decca LORAN ist die Abkürzung für LONG RANGE NAVIGATION-SYSTEM. Es wird vorwiegend zur Navigation in der Seefahrt und Luftfahrt verwendet. Das LORAN-C Signal wird auf einer Frequenz von 100kHz ausgestrahlt, wobei eine Signalstärke von über 1000Km erreicht wird. Das System besteht aus Sendestationen die zu Ketten Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 5
sogenannten(chains) gruppiert werden. Eine Kette besteht aus einer Master-Station und zwei bis fünf weiteren Stationen die einige hundert Kilometer entfernt stehen. Europa betreibt ein eigenes LORAN-C System (NELS), da die Weiterentwicklung im europäischen Raum von Seiten des US-Militärs nicht fortgesetzt wurde. Der Nachteil an diesem Navigationsverfahren ist die Abhängigkeit von den Sendestationen. Einen Positionsbestimmung ist nur an Orten die über Sendeketen verfügen möglich. Da Deutschland genau am Rande von zwei LORAN-Ketten, der Norwegischen und der Französischen Kette liegt, konnten LORAN-Empfänger in Deutschland (über Land) bislang nicht eingesetzt werden. LORAN hat weltweit einen hohen Stellenwert für die Navigation und vor allem in den USA eine große Bedeutung für die Luftfahrt erlangt Ein Vorteil an LORAN-Systemen (verglichen mit GPS) ist die verteilte Kontrolle über das System. Die Verantwortung für Aufbau und Betrieb von LORAN-Senderketten, ist auf die einzelnen verschiedenen nationalen Betreiber aufgeteilt ist. Das europäische NELS System wird unteranderem genutzt, um differenzielle Korrekturwerte zum GPS-Signal auszustrahlen. Dadurch wird die Genauigkeit des GPS-Signals gesteigert. Das verbessert GPS-Signal wird auch D-GPS(differenzial GPS) genannt, und findet vorwiegen in der Schifffahrt, oder bei grossflächigen Vermessungen in der Geodäsie Verwendung. Die einzige LORAN-C Sendestelle in Deutschland ist der LORAN C Sender Rantum auf der Insel Sylt.(siehe Abbildung 3) Abbildung 3, Quelle http://de.wikipedia.org/wiki/LORAN Satteliten Navigationssysteme sind die modernsten Navigationssysteme unserer Zeit. Sie haben im Gegensatz zu den anderen vorgestellten System einige Vorteile. Sie sind 24 Stunden am Tag sieben Tage die Woche einsetzbar und haben eine hohe Genauigkeit. Die Positionsbestimmung und Navigation erfolgt durch den Empfang von Satellitensignalen und Signalen von Pseudoliten. Das erste Satellitennavigationssystem und somit der Vorläufer von GPS, wurde 1958 von der US-Marine zunächst unter der Bezeichnung Navy Navigation Satelliten System (NNSS) entwickelt. Später wurde es in Transit umbenannt. Transit wurde wie GPS anfangs für rein militärische Zwecke eingesetzt. Hauptaufgabe war die Ziehlführung balistischer Raketen auf U-Booten und Flugzeugträgern. Die Genauigkeit lag je nach Empfangssystem zwischen 500 und 15 Metern. In der Endphase des Betriebs bestand die Konstellation aus sechs Satelliten, drei in Funktion, und drei Reservesatelliten. Transit wurde 1996 von GPS abgelöst, und ist seit dem außer Betrieb. Neben dem globalen Satelliten System (GPS) der USA gibt es noch zwei weiter äquivalent Systeme. GLONASS und GALLILEO auf die ich kurz eingehen werde. Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 6
GLONASS GLONASS ist in Aufbau und Funktionsweise sehr ähnlich wie das US-amerikanische NVSTAR- GPS. Betrieben wird das System von dem Verteidigungsministerium der Russischen Föderation. Die parallele Entwicklung der beiden Systeme während des kalten Krieges war aus militärstrategischen Gründen unabdingbar. Die Satelliten der GLONASS-Konstellation tragen den Namen Uragan(Hurrikan). Die Entwicklung des Systems begann 1972. Die ersten drei Satelliten starteten am 12. Oktober 1982. Das System wurde am 24.September 1993 offiziell als funktionsfähig erklärt. Die volle Ausbaustufe wurde 1996 erreich und besteht aus 21 Standard und drei Reservesatelliten. Wie GPS benötigt auch GLONASS für einen reibungslosen Betrieb 24 Satelliten. Damit ist gewährleistet, dass zu jeder Zeit mindestens drei Satelliten an einem Ort sichtbar sind. Dies ist wie wir später sehen werden essentiell wichtig um eine exakte Position zu bestimmen. Am 12. September 2008 ordnete der Ministerpräsident von Russland, Wladimir Putin den Ausbau von GLONASS für 67 Milliarden Rubel (1,8 Milliarden Euro) an. Im Jahr 2012 sollen alle für den weltweiten Regelbetrieb notwendigen Satelliten einsatzbereit und im Orbit sein. Die Signale der GLONASS-Satelliten sind seit dem Zusammenbruch der UdSSR für zivile Zweck frei verfügbar. Sie liefern (ohne künstliche Signal-Verschlechterung) zumindest theoretisch für Europa exaktere Ergebnisse zur Positionsbestimmung. GALILEO GALILEO ist das europäische Satelliten Navigationssystem. Entwickelt wird es von der Europäischen Union (EU) in Zusammenarbeit mit der ESA(European Space Agency) . Das Funktionsprinzip ist das gleiche wie bei GLONASS und GPS. Das System wird sogar mit der im Aufbau befindlichen weiterentwickelten Version von GPS kompatibel sein. GALILEO wurde für rein zivile Zwecke entwickelt und unterliegt somit nicht wie GPS und GLONASS einer nationalen militärischen Kontrolle. Das System wird aus einer Konstellation von 30 Satelliten, angeordnet auf drei kreisförmigen Umlaufbahnen in einer Höhe von 23.616 km, bestehen. Der Hauptgrund für die Entwicklung von Galileo war der Wunsch ein eigenes von der USA unabhängiges Satellitensystem zu betreiben. Daneben soll es eine bessere Ortungsgenauigkeit gewährleisten. Darüberhinaus wird das System mehrere zivile Dienste anbieten. Geplant ist ein Allgemeiner Dienst (Open Service, OS), der kostenlos über die frei zugänglichen Signale zur Verfügung steht. Die Position und Zeitgenauigkeit wird ähnlich wie bei GPS und GLONASS sein. Erwartungswert ist eine Genauigkeit von 4 Metern. Ein weiterer geplanter Dienst ist der Sicherheits- Dienst(Safety-of-Life Service, SoL). Dieser Dienst ist für den Flugverkehr und weitere überlebenswichtige Aufgaben gedacht. Im Gegensatz zu dem öffentlichen Dienst sollen Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden falls ein Satellit ausfällt, und somit Einschränkungen in der Positionsbestimmung auftreten. Es ist geplant für diesen Service die Verfügbarkeit zu garantieren. Zusätzlich soll es einen Kommerziellen Dienst (Commercial Service, CS) geben, der zwei weiter Signale (für einen besseren Datendurchsatz, und höhere Genauigkeit) zur Verfügung stellt. Die Signale werden verschlüsselt und gegen eine Gebühr frei erhältlich sein. Geplant ist eine Genauigkeit von 10cm. Im Januar 2003 kamen die Leitung der ESA und Roskosmos (russische Raumfahrtbehörde) überein, die GLONASS-Satelliten zum Testen von Hardware für das zukünftige Galileo System der EU zu nutzen. Das System wird voraussichtlich 2013 die letzte Ausbaustufe erreicht haben, und vollständig in Betrieb genommen werden. Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 7
Historie In den 60er Jahren wurde von der US-Marin ein zweidimensional arbeitendes Ortungssystem namens Transit entwickelt. Das System wurde für militärische Zweck entwickelt, und kam unteranderem im Vietnamkrieg zum Einsatz. Aus den dort gewonnen Kenntnissen und dem Einsatz neuer Langstreckenraketen, wurde klar, das ein zweidimensionales Navigationssystem den Anforderungen des Militärs nicht genügte. Das US-Verteidigungsministerium fasste daher 1973 den Beschluss die bereits verbesserten Projekte TIMATION der US-Marine und SYSTEM 621 der Luftwaffe zusammen zuführen und daraus das Navigation Satellite Time And Ranging Global Positioning System (NAVSTAR-GPS) zu entwickeln. 1977 wurde das System erstmals getestet. Für den Systemtest kamen sogenannte Pseudolites (Pseudosatelliten) zum Einsatz. Die Pseudoliten senden die gleichen Signale wie die Satelliten im Weltall, und konnten so die Funktionsweise des Systems ohne teure Verluste testen. 1995 erreichte das System volle Betriebsbereitschaft (Full Operational Capability, FOC) Der Aufbau des NAVSTAR Systems wurde in drei Phasen eingeteilt. Phase 1: 1974 – 1979 Überprüfungsphase Phase 2: 1979 – 1985 Entwicklungsphase Phase 3: 1985 – 1995 Ausbauphase Anfangs sollte das System bereits 1990 voll ausgebaut sein. Die Explosion der Raumfähre Challenger sowie finanzielle Probleme verzögerten das Vorhaben. Die Entwicklungskosten betrugen bis zur Fertigstellung rund 20 Mrd.US Dollar. Da das Global Positioning System ursprünglich ausschließlich für militärische Zwecke entwickelt wurde, hat das Militär anfangs eine künstliche Verfälschung des Signals (Selective Availability, SA) für den zivilen Bereich eingeführt. Wie wir später noch sehen werden senden sie GPS- Satelliten auf unterschiedlichen Frequenzen. Die Signalverfälschung wurde durch eine Störung der Uhrzeit im Satelliten bei der Übertragung des zivilen L1 Signals realisiert. Dies führt zu Schwankungen um ca. 50 Meter während weniger Minuten. Zusätzliche wurden die Ephemeridendaten ungenauer übertragen, wodurch die übermittelte Satellitenposition nicht mit der tatsächlichen Position übereinstimmt. Bei eingeschalteten SA kann die Positionsangabe bei zivilen Empfängern von 50 bis zu 150 Metern abweichen. Das Signal wurde laut USA aus Sicherheitsmaßnahme gegen Missbrauch von der zivilen Bevölkerung eingeführt. Terroristen sollte es unmöglich gemacht werden, strategisch wichtige Ziele mittels Fernlenkwaffen genau zu treffen. Seit dem 2. Mai 2000 wurde die Signalverfälschung durch Verfügung des Präsindenten (Bill Clinton) für den normalen Betrieb weitgehend abgeschaltet. Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 8
GPS Systemaufbau Das GPS-System vollständig NAVSTAR, ist das globale Satelliten System der USA. Es besteht aus 24 Satelliten (21 werden benötigt, 3 sind aktiver Ersatz). Dadurch wird sichergestellt, dass zu jeder Zeit an jedem Punkt der Erde mindestens vier Satelliten in Sicht sind. Vier Satelliten müssen zugleich zu empfangen sein, damit der Empfänger seine Position im Raum (x, y, z) und die Abweichung seiner Uhr von der GPS-Systemzeit ermitteln kann. Die Satelliten haben eine Lebensdauer von geschätzten 12 Jahren. Um nach Ablauf der Einsatzzeit eines Satelliten bereits einen aktiven Reservesatelliten im System bereit zustellen, befinden sich heute meistens 30 aktive Satelliten in der Umlaufbahn. Die Satelliten umkreisen die Erde auf sechs Orbitalbahnen in einer Höhe von 20.200 Kilometern mit einer Geschwindigkeit von rund 11.200 km/h. Die Satelliten senden digital verschlüsselte Daten, mit der genauen Position des Satelliten und einer Zeitangabe, zum GPS-Empfänger. Aus der Differenz der Zeitangabe vom Senden des Signals bis zum Empfang (also aus der Laufzeit), berechnet der GPS-Empfänger seine genaue Entfernung zum Satelliten. Kennt der Empfänger die Entfernung zu drei Satteliten, kann er seine Position exakt bestimmen. (mehr dazu im Kapitel Positionsbestimmung) Das GPS System ist in drei grundlegende Segmente unterteilen. Weltraumsegment (Satelliten) Kontrollsegment (Kontrollstationen) Benutzersegment (GPS-Empfänger) Weltraumsegment Momentan umkreisen ca. 30 GPS-Satelliten in 6 Bahnebenen die Erde. Die Bahnebenen sind um 55° gegen die Rotationsachse der Erde geneigt und gegeneinander um 60° gedreht. Die Umlaufzeit beträgt 12 Stunden bei einer Geschwindigkeit von 4 km/s. Die Satellitenkonstellation über einem Punkt der Erde wiederholt sich alle 24 Stunden. Durch diese Konstellation ist sichergestellt, dass an jedem Punkt der Erde zu jeder Zeit mindestens vier Satelliten sichtbar sind. Der erste dieser Satelliten wurde bereits 1978 in seine Umlaufbahn gebracht. Mittlerweile gibt es fünf verschieden Typen (Block I, Block II, Block IIA, Block IIR und Block IIF) die im Laufe der Jahre immer weiter entwickelt wurden. Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 9
Abbildung 5, Quelle: http://www.kowoma.de/gps/Satelliten.htm Die Abbildung 5 zeigt einen der ersten Satelliten der Block 1 Baureihe. Im Zeitraum zwischen 1978 und 1985 wurden insgesamt 11 Block 1 Satelliten in die Umlaufbahn gebracht. Die geplante Überlebensdauer wurde auf 4,5 Jahre geschätzt. Einige Satelliten dieser Generation überlebten ihr geplantes Alter deutlich um weiter 5 Jahre. Heute ist keiner dieser Satelliten mehr in Betrieb. In diesem Modell, das ursprünglich zu Testzwecken entwickelt wurde, kamen noch keine Atomuhren zum Einsatz. Abbildung 6, Quelle: http://www.kowoma.de/gps/Satelliten.htm Die Abbildung 6 zeigt den aktuellsten Typ des GPS-Systems Im September 2005 wurde der erste Satellit dieser Generation (Block 2R) gestartet. Dieser Satellit unterstützt als erster eine zweite Frequenz für die zivile Nutzung (L2C) und ein neues militärisches Signal (L1M, L2M). Ein Block 2R Satellit wiegt 2 Tonnen und kostet 75 Millionen Dollar. Für die Stromversorgung kommt bei allen Satelliten die gleiche Technik zum Einsatz. Die Satelliten werden über Solarpanels mit Strom versorgt, als Reserveantrieb, wenn sich die Satelliten im Erdschatten befinden, übernehmen Nickel-Cadmium-Zellen die Stromversorgung. Ein Antriebssystem ermöglicht Lagestabilisierung und Änderung der Bahnposition. Abbildung 7, Quelle http://www.kowoma.de/gps/Satelliten.htm Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 10
Alle Satelliten ab Generation Block 2 sind mindestens mit zwei Rubidium und zwei Cäsium Atomuhren mit einer Uhrenstabilität von mindestens 10 - 13 Sekunden ausgestattet. Es wurde beim Bau der Satelliten darauf geachtet, dass alle wichtigen Bestandteile mehrfach vorhanden sind, um bei Ausfall einer Komponente die Funktion von einen Reservesystem zu übernehmen. Die extreme Genauigkeit von Atomuhren ist wie wir später noch sehen werden absolut wichtig für das Funktionieren des Systems. Abbildung 7 zeigt eine Cäsium Atomuhr. Das Kontrollsegment(Kontrollstation) Das Kontrollsegment dient der Überwachung der Satelliten. Es besteht aus einer Master Controll Station sowie 9 weitern Monitorstationen, die um den Äquator verteilt sind. Die Stationen wurden so verteil, dass die Signale aller Satelliten mindestens einmal am Tag gleichzeitig an allen Kontrollstationen gemessen werden können. Die Monitorstationen sind einfache GPS Empfänger, die von allen sich in Sicht befindenden Satelliten die Daten sammeln und an die Hauptkontrollstation zur Weiterverarbeitung senden. Die Hauptkontrollstation befindet sich auf der Schriever Air Force Base in Colorado Springs, USA. Dort erfolgt die Auswertung der gesamten Daten der Monitorstationen und zwar 24 Stunden am Tag. Hier werden mögliche Fehlfunktionen und Uhrenfehler ausgewertet. Mindesten einmal am Tag werden die gesammelten Daten zusammen mit weitern Justierungskommandos über spezielle Sendeantennen an die Satelliten zurückgesendet. Die Satelliten sind dadurch in der Lage ihre Bahndaten zu korrigieren. Abbildung 8 zeigt die globale Verteilung der Master und Monitor Stationen. Abbildung 8, Quelle: http://www.kowoma.de/gps/Bodenstationen.htm Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 11
Benutzersegment Das Benutzersegement umfasste alle GPS-Satellitenempfänger. Da GPS das zurzeit ausgereifteste System ist, sind Empfänger andere Navigationssysteme fast immer Multisysteme, die auch den Empfang von GPS-Signalen unterstützen. Wer sich heute einen GPS-Empfänger kaufen will, hat es daher nicht leicht eine Entscheidung zu treffen. Die Palette reicht vom einfachen Chipset (Abbildung 8) bis hin zu komplexen Präzisionsgeräten(Abbildung 9) Abbildung 9, Quelle: www.pclaunches.com Abbildung 10, Quelle. de.wikipedia.org/wiki/GPS-Empfänge Alle heute angebotenen Geräte haben mindestens 12 Kanäle, d.h. sie können die Daten von bis zu 12 Satelliten gleichzeitig verarbeiten und auswerten. Ältere Geräte mussten die Auswertung teilweise nacheinander durchführen, wodurch die wesentlich langsamer und ungenauer waren, sowie empfindlicher auf Störungen reagiert haben. Geräte für den professionellen Einsatz (Vermessung, Militär) sind typischerweise etwas größer und aus verschiedenen Gründen wesentlich genauer. Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 12
Satellitensignal Der Weg des Signals Das Signal das vom einem GPS-Satelliten gesendet wird, breitet sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit(c) aus. Der Zahlenwert der Lichtgeschwindigkeit wurde 1984 für die GPS- Satellite navigation/-ortung auf den Zahlenwert c = 2,99792458 * 10^8 m/s festgelegt. Die Genauigkeitsangabe mit acht Dezimalstellen ist nötig, da bei GPS Entfernungsdifferenzen und die daraus resultierenden Laufzeitunterschiede in vergleichbarer Dimension gemessen werden. Für eine perfekte Signallaufzeitmessung, wäre eine Messung im Vakuum nötig. Den nur im luftleeren Raum, breitet sich das Signal ungestört, ohne Verzögerung aus. In der Realität muss das Signal mehrere Erdatmosphären durchdringen. Die Troposphäre( in 0-60 Kilometer Höhe) und die Ionosphäre (80-1000Kilometern Höhe) Abbildung 11, Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Ionosphäre Während sich das Signal im Vakuum ungestört ausbreiten kann, wird es in der Atmosphäre gestört. Dies geschieht z.B. durch atmosphärische Brechungen ( Refraktion ) in den oben beschriebenen Schichten. Abbildung 10 deutet die Ionosphäre an. Der Aufbau des Signals Im Wesentlichen sendet der Satellit ein Nachricht mit seinem Namen, Position und den genauen Zeitpunkt(mit Hilfe der im Satelliten eingebauten Atomuhr). Die Nachrichten der Satelliten werden auf zwei Trägerfrequenzen ( L1 und L2 ) im GHz-Bereich, dem sogenannten L-Band, in digitaler Form übertragen. Die neueren Satelliten der Baureihe Block 2R/2F haben die Möglichkeit einer weiteren Frequenz L5, für zivile Anwendungen zu nutzen. Die Wahl des L- Bande Dies ist eine scheinbar zufällige Folge von Bits, die keine Information im eigentlichen Sinn enthalten (ausschlaggebend ist immer der Beginn einer Codesequenz). s war keinesfalls Zufällig. Das L-Band deckt den Bereich zwischen 1000 - 2000 MHz ab. Die Frequenz des GPS Signal wurde bewusst unter 2 GHz gewählt, da für den Empfang einer Frequenz über 2GHz eine Richtantenne erforderlich wäre. Bei Frequenzen unter 1000 MHz ist die Ionosphärische Verzögerung (siehe oben) enorm hoch. Ein weiteres Kriterium für die Wahl der Frequenz ist benötigte große Bandbreite für die Code-Modulierung auf die Trägerfrequenz. Der PRN-Code Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 13
den jeder Satellit zur Identifizierung aussendet, benötigt diese große Bandbreite. Auf die Trägerfrequenz werden drei unterschiedliche Binärcodes moduliert, zum einen der C/A-Code( coarse/acquisition, ”Grobcode” ), der alle Millisekunden wiederholt wird, sowie der P-Code ( precision, der Präzisionscode ), der alle 266 Tage wiederholt wird, um die Entschlüsselung durch unerwünschte Benutzer zu verhindern. Der C/A-Code wird nur auf den Träger L1 und der P-Code wird auf beide Träger aufmoduliert. Der C/A – Code wird nur von zivilen Empfängern genutzt, während der P-Code ausschließlich dem Militär und anderen vertrauenswürdigen Benutzern vorbehalten bleibt. Die höhere Frequenz des P-Codes ist Ursache für die genauere Positionsbestimmung im militärischen Bereich. Um zu geheimen P-Code zu schützen, wird im sogenannten anti spoofing mode (A/S) der P-Code mittels eines geheimen W- Codes zum Y-Code verschlüsselt. Der dritte Binärecode enthält die eigentlichen Informationen und wird oft als Navigationsnachricht (navigation Message) bezeichnet. Die mit der Navigationsnachricht übertragenen Daten die Almanach-(Jahrbuch) und Ephemeriden- (flüchtigen) Daten, enthalten Informationen über die Satelliten und deren Umlaufzeiten, sowie Angaben über den Einfluss des Mondes und der Ionosphäre. Mit Hilfe dieser Daten, werden die Uhren im Empfänger und Satelliten synchronisiert. Das vollständige Datensignal besteht aus 37500 bit und es dauert demnach bei einer Übertragungsgeschwindigkeit von 50 bit/s ganze 12,5 Minuten bis es vollständig übertragen ist. Diese Zeit benötigt ein GPS-Empfänger bis zur ersten Positionsbestimmung wenn er noch keine Daten über die Satelliten gespeichert hat, oder diese veraltet sind. Das Datensignal ist in 25 Blöcke (frames) unterteilt, die jeweils 1500 bit lang sind und 30 Sekunden zur Übertragung brauchen. Abbildung 12 zeigt den Aufbau des Datensignals. Abbildung 12, Quelle: http://ivvgeo.uni-muenster.de/Vorlesung/GPS_Script/grundlagen_signale.html Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 14
Positionsbestimmung
Das Prinzip von GPS basiert auf Laufzeitmessung. Gemessen wird die Signallaufzeit vom Sender
(Satelliten im All) zum Empfänger (GPS-Endgerät). Die zeitliche Differenz der Signale
multipliziert mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit (wir wissen GPS-Signale breiten sich mit
Lichtgeschwindigkeit aus) ergibt die Entfernung zum Satelliten. Kann man die Entfernung zu
drei verschiedenen Satelliten berechnen ist es mithilfe der Trilateration möglich eine exakte
Position im zweidimensionalen Raum zu bestimmen.
Laufzeitmessung der Signale
Jeder Satellit sendet einen eindeutigen PRN-Code aus. Der Empfänger identifiziert einen
Satelliten über die im Code enthaltene PRN-Nummer und erzeugt den gleichen PRN-Code.
Die daraus resultierenden identischen Signale sind durch den Zeitunterschied des
Sendezeitpunkts leicht verschoben. Mit Hilfe der Autokorrelation werden die Signale zur
Deckung gebracht. Die Zeit die für die Deckung der Signale benötigt wurde kann jetzt zur
Entfernung des Satelliten umgerechnet. In Abbildung 12 ist der Vorgang nochmals Grafisch
erklärt.
2 identische Signale: Satellit Empfänger
Werden mittels Autokorrelation zur Deckung gebracht
verschobenes Signal
Autokorrelation
gedecktes Signal
Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 15Bei der oben vorgestellten Autokorrelation, haben wir noch keine Positionsbestimmung, sondern nur eine Entfernungsbestimmung. Mit mehreren Entfernungsbestimmungen lässt sich jedoch eine Positionsbestimmung durchführen. Ein Problem bei der Positionsbestimmung ist die Uhrensynchronisation. Satelliten haben Atomuhren mit einer Abweichung von 10-15 Abweichung von 1Sekunde in 20 Millionen Jahren. Die Satelliten Empfänger verwenden handelsübliche Quarz Uhren. Wenn die Uhr im Empfänger nur um 1/100 Sekunde unsynchron läuft, was bei Quarzuhren mit Sicherheit zutrifft, kann unsere Entfernungsmessung schon um 3000Km falsch sein Um zu erklären, wie viel Satelliten zur Positionsbestimmung benötigt werden, nehmen wir in einem ersten Schritt zunächst an, dass nicht nur die GPS-Satelliten sondern auch die GPS- Empfänger mit einer Atomuhr ausgestattet sind. Hierdurch können Zeitfehler bei der Signallaufzeitmessung durch die Verwendung hochpräziser Atomuhren zunächst vernachlässigen. Abbildung 13, Quelle http://www.theoxymoron.worldpress.com In der Abbildung 13 benötigt das Signal des ersten Satelliten 4 Sekunden bis es beim Empfänger eintrifft. Der Wert ist unrealistisch Hoch. Tatsächlich ist die Laufzeit der Signale vom Satelliten zur Erdoberfläche bei einer Lichtgeschwindigkeit von 299 792 458,0 m/s etwa 0,07 Sekunden, das Prinzip bleib jedoch das gleiche. Mit dieser Information allein weiß man, dass unsere Position irgendwo auf einem Kreis mit der "Entfernung" 4 Sekunden um den ersten Satelliten sein muss. Wenn wie jetzt wie in der Abbildung gezeigt einen zweiten Satelliten zur Messung hinzu nehmen, bleiben zwei Schnittpunkte der Kreise als mögliche Positionen. Da wir wissen, dass wir uns irgendwo auf der Erde befinden, bleibt als realistische Position, nur der Schnittpunkt unterhalb der Satelliten als möglicher Aufenthaltsort. Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 16
Da die Uhren wie oben bereits angedeutet im Empfänger nicht mit den Atomuhren der Satelliten übereinstimmen, kommt es zu Fehlern in der Signallaufzeitmessung. Angenommen die Uhr im Empfänger geht eine halbe Sekunde vor. Die entstandene Vorlaufzeit wird auf die Tatsächliche Signallaufzeit aufaddiert, und wir erhalten das Bild das in Abbildung 14 gezeigt wird. Abbildung 14, Quelle http://www.theoxymoron.worldpress.com Ein Uhrenfehler von 1/100 Sekunde, macht in der GPS-Navigation eine Fehlbestimmung der Position um ca. 3000 km aus. Um eine Positionsbestimmung auf 10 Meter genau zu erreichen muss die Laufzeit bis auf 0,00000003 Sekunden genau sein. Da keine Atomuhren in GPS- Empfängern zu finden sind, muss das Problem auf andere Weise gelöst werden. Angenommen wir ziehen ein dritten Satelliten hinzu, und nehmen wieder an, dass die Uhren im Empfänger perfekt laufen, erhalten wir das Bild aus Abbildung 15. Abbildung 15, Quelle http://www.theoxymoron.worldpress.com Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 17
Betrachtet man den gleichen Fall aber unter der Voraussetzung, dass die Empfänger-Uhr wieder um eine halbe Sekunde vorgeht, so erhält man keinen eindeutigen Schnittpunkt mehr. Die tatsächliche Position A liegt im Schwerpunkt des entstandenen Fehlerdreiecks der Punkte B, C und D. Wie in Abbildung 16 zusehen ist. Durch rechenarbeit im Computer des Empfängers (Lösung eines Gleichungssystems mit 4 Unbekannten pro Position) wird jetzt die exakte Position bestimmt. Abbildung 16, Quelle http://www.theoxymoron.worldpress.com Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 18
Fehlerquellen SA (Selective Availability) Einer der Größten Faktoren für die Beeinträchtigung der Positionsbestimmung ist das Selective Availability, SA. Es wurde eine künstliche Verfälschung der vom Satelliten übermittelten Uhrzeit im L1-Signal eingeführt. SA machte GPS für Höhenbestimmungen praktisch unbrauchbar. Wie oben bereits erwähnt, ist SA seit Mai 2000 ausgeschaltet. Abbildung 17 zeigt eine Positionsbestimmung mit eingeschaltetem SA. Bei eigeschaltetem SA kann die Position maximal auf 100 Meter genau bestimmt werden. Im Vergleich ist in Abbildung 18 die Positionsbestimmung mit ausgeschaltet SA zu sehen. Abbildung 17 Quelle, http://www.heise.de Abbildung 18 Quelle, http://www.heise.de Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 19
Satellitengeometrie Die Satelliten Geometrie spielt bei der Positionsbestimmung auch eine wichtige Rolle. Wie in den beiden Abbildungen 18 und 19 zusehen ist, vergrößert sich das oben genannte Stördreieck. Der Computer im Empfänger muss deutlich weniger Rechenarbeit übernehmen, wenn die Satteliten in einem günstigen Winkel zueinander stehen. Gute GPS-Empfänger berücksichtigen einen geometrischen Faktor „Geometric Dillution of Precision“ GDOP Abbildung 18, Quelle www.allnav.com/wgps/gfx/p44_2.gif Abbildung 19, Quelle www.allnav.com/wgps/gfx/p44_1.gif Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 20
Atmosphärischer Effekt
Ein anderer Genauigkeitsfehler wird durch verringerte Ausbreitungsgeschwindigkeit des
Satelliten Signals in den Schichten der Erdatmosphäre verursacht. Die Radiosignale breiten sich
im Weltall mit Lichtgeschwindigkeit aus. Treffen die Radiowellen auf eine der in Abbildung 20
gezeigten Schichten, verringert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit. In der Ionosphäre wird
durch die ionisierende Wirkung der Sonne in einer Höhe von ca. 80 bis 400 km Elektronen und
positive Ionen in großer Zahl gebildet. Diese konzentrieren sich in vier leitenden Schichten
innerhalb der Ionosphäre (D-, E-, F1-, und F2- Schicht). Diese Schichten reflektieren bzw.
brechen die elektromagnetischen Wellen der Navigationssatelliten. Daraus folgt eine längere
Laufzeit der Satellitensignale..Diese Fehler werden größtenteils im Empfänger durch
entsprechende Berechnungen kompensiert.
Abblidung 20 Quelle, http://www.kowoma.de/gps/Fehlerquellen.htm
Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 21Die Tabelle in Abbildung 21 zeigt eine Zusammenfassung der Möglichen Fehlerquellen und ihren
Auswirkungen
Abbildung 21 Tabelle Fehlerauswirkung.
Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 22Quellenangabe I Bei der Präsentation über GPS sowie der dazu erstellten Ausarbeitung habe ich folgende Textquellen genutzt. Grundlagen der Satellitennavigation PDF Datei u-blox AG Zürcherstrasse 68 8800 Thalwil Switzerland www.u-blox.com Global Positioning System (GPS) PDF Datei Autor: K.O. Linn GALILEO http://de.wikipedia.org/wiki/Galileo_(Satellitennavigation) Positonsbestimmung, Fehlerquellen http://www.kowoma.de/gps/ Die Segmente von GPS http://www.bibrand.de/GPS/gps3.htm GLONASS http://wapedia.mobi/de/GLONASS Das Grundprinzip des GPS http://www.landscaper.de/GPS_Navigation/GPS_Grundprinzip/gps_grundprinzip.html Terrestrische Navigation http://www.skipperguide.de/wiki/Terrestrische_Navigation Elements of GPS http://www.aero.org/education/primers/gps/elements.html LORAN-C Hyperbelnavigationsverfahren http://www.navtec.de/personen/acf/dd/dd_hyp.pdf Geschichte von GPS http://mca.bv.tu-berlin.de/~katrin/GPS.html Signalverarbeitung http://www2.uni-siegen.de/dept/fb10/verm/gpsgis/wpf0002/gpseinsatbereich.htm Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 23
Quellenangabe II Abbildungverzeichnis Unterstützend zur Präsentation über GPS sowie zu der erstellten Ausarbeitung des Vortrags, haben ich folgende Grafiken eingesetzt. Abbildung 0, Satellit Deckblatt www.weltderphysik.de/.../GPS_Satellit.jpg Abbildung 1, Sextent http://de.wikipedia.org/wiki/Sextant Abbildung 2, Kreuzpeilung http://de.wikipedia.org/wiki/Funknavigation Abbildung 3, Rantum Sendestation http://de.wikipedia.org/wiki/LORAN Abbildung 6, 7, Block I/IIR Satellit http://www.kowoma.de/gps/Satelliten.htm Abbildung 7, Atomuhr http://www.kowoma.de/gps/Satelliten.htm Abbildung 8, Kontrollsegment http://www.kowoma.de/gps/Bodenstationen.htm Abbildung 8, Chipset Endgeräte www.pclaunches.com Abbildung 10, Präzisionsgerät de.wikipedia.org/wiki/GPS-Empfänger Abbildung 11, Ionosphäre http://de.wikipedia.org/wiki/Ionosphäre Abbildung 12, Navigationsnachricht http://ivvgeo.uni-muenster.de/Vorlesung/GPS_Script/grundlagen_signale.html Abbildung 13, 14, 15, 16, Positionsbestimmung http://www.theoxymoron.worldpress.com Abbildung 17, SA http://www.heise.de Abbildung 18, 19, Satellitengeometrie www.allnav.com/wgps/gfx/p44_2.gif Abbildung 20, Fehlerquellen http://www.kowoma.de/gps/Fehlerquellen.htm Martin Harbich GPS wie funktioniert‘s 24
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