Satellitennavigation - Von Matthias Schranz - Tiergarten Lernende
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Satellitennavigation
Von
Matthias Schranz
Satellitennavigation Matthias Schranz Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis .................................................................................................................................... 2 1. Was ist Satellitennavigation? .......................................................................................................... 3 2. NAVSTAR-GPS .................................................................................................................................. 4 3. Andere Satellitennavigationssysteme ............................................................................................. 5 4. Geschichte ....................................................................................................................................... 7 5. Anwendungen ................................................................................................................................. 8 6. Technik .......................................................................................................................................... 10 7. Quellen .......................................................................................................................................... 12 Dokumentation Kurzvortrag Seite 2 von 12 Burgdorf, 03.12.2010
Satellitennavigation Matthias Schranz
1. Was ist Satellitennavigation?
GPS : Global Positioning System
auf Deutsch : Verfahren zur weltumfassenden Bestimmung der Position
Mit Satellitennavigation können Koordinaten, Höhe und Zeit bestimmt werden. Mit GPS können
jederzeit auf der Erde folgende Werte ermittelt werden:
1. Der exakte Standort (mit einer Genauigkeit von 20m bis zu ca. 1mm)
a. Koordinaten der geographischen Länge
b. Koordinaten der geographischen Breite
c. Höhe
2. Die genaue Zeit (mit einer Genauigkeit von 60ns bis zu ca. 5ns)
a. Weltzeit: Universal Time Coordinated, UTC)
Abbildung 1: Grundlegende Funktion von GPS
Zurzeit ist nur das amerikanische NAVSTAR-GPS vollumfänglich Nutzbar. Daher wird in dieser
Dokumentation hauptsächlich dieses beschrieben. Die anderen Systeme werden aber sehr ähnlich
aufgebaut.
Satellitennavigation ist aus der heutigen Zeit gar nicht mehr weg zu denken. Fast jedes Auto ist heute
mit einem GPS-Empfänger ausgerüstet, welcher den schnellsten Weg durch das Strassennetz sucht.
Schiffe und Flugzeuge orientieren sich zum Teil sogar gänzlich nach GPS.
Dokumentation Kurzvortrag Seite 3 von 12 Burgdorf, 03.12.2010
Satellitennavigation Matthias Schranz
2. NAVSTAR-GPS
NAVSTAR-GPS : Navigation System with Timing And Ranging Global Positioning System
auf Deutsch Navigationssystem mit einem Verfahren zur Bestimmung von Position und Zeit
NAVSTAR-GPS wurde vom amerikanischen
Verteidigungsministerium (U.S Department of
Denense, DoD) entwickelt. Es kann sowohl von
militärischen als auch von zivilen Anwendern
genutzt werden. Es ist seit dem 17. Juli 1995
offiziell vollumfänglich in Betrieb.
Abbildung 2 Logo NAVSTAR GPS
Das GPS-System wurde vorallem für folgende Punkte entwickelt.
1. Ortung, Geschwindigkeits- und Zeitbestimmung für Nutzer, die sich in Bewegung oder in
Ruhe befinden
2. Ständige, weltweite, wetterunabhängige 3-dimensionale Ortung mit hoher Genauigkeit
3. Die Möglichkeit der zivilen Nutzung,
Das System besteht zurzeit aus 29 aktiven Satelliten.
Diese Kreisen auf 6 Bahnen in einer Höhe von 20‘180km
um die Erde. Die Bahnen sind um 55° zum Äquator
geneigt, damit von jedem Punkt der Erde eine
Funkverbindung zu mindestens 4 Satelliten
gewährleistet ist.
Abbildung 3 NAVSTAR Satellit zweiter Generation
Jeder Satellit umkreist die Erde in in ca. 12h und hat vier Atomuhren an Bord. Ein Satellit kostet rund
etwa 60 Mio Euro. Die Satelliten senden zwei Signale: Das SPS (Standart Positioning System), welches
für die Allgemeinheit nutzbar ist, und das PPS (Precise Positioning System), welches nur autorisierte
Stellen nutzen dürfen.
Dokumentation Kurzvortrag Seite 4 von 12 Burgdorf, 03.12.2010
Satellitennavigation Matthias Schranz
3. Andere Satellitennavigationssysteme
Ein grosser Nachteil von GPS ist die Abhängigkeit von den USA. Heutzutage sind sehr viele Fahrzeuge,
Flugzeuge, Schiffe etc. auf GPS angewiesen. Auch im Militär wird sehr viel über GPS gesteuert. Hat
nun die USA eines Tages das Gefühl, GPS solle jetzt nicht mehr für jedermann öffentlich sein, können
sie es jederzeit ohne Probleme abschalten. Daher sind andere Grossmächte an der Entwicklung eines
eigenen Systems.
Galileo (Europa)
Das zukünftige System der Europäer heisst Galileo. Vom Prinzip
her ist es sehr ähnlich aufgebaut wie NAVSTAR-GPS. Die
Kontrolle liegt bei Galileo jedoch nicht beim Militär und ist nur
für zivile Zwecke gedacht. Das System soll ca. 2014
funktionsfähig sein.
Die wichtigsten Ziele von Galileo:
1. Unabhängikeit von der USA Abbildung 4 Logo Galileo
Wie schon erwähnt, fühlen sich die Europäer von
den Amerikanern abhängig, da diese nach Lust und Laune das GPS Signal
verschlechtern oder gar abstellen können.
2. Ortungsgenauigkeit erhöhen
Galileo soll genäuer sein als GPS. Das öffentliche Signal soll eine Genauigkeit von 4 bis
15 Metern aufweisen. Sicherheitskritische Dienste sogar 4m bis 6m. Diese höhere
Genauigkeit erfolgt durch eine andere Modulation. Diese wird jedoch früher oder
später auch beim GPS Signal eingesetzt werden.
3. Rein ziviles Navigationssystem haben
Die Kontrolle darf nicht bei Militär liegen. Zudem soll Galileo für einige Dienste eine
Funktionssicherheit anbieten.
4. Eine Such- und Rettungsfunktion anzubieten
Empfang von Notrufen von beliebigen Standorten auf der Erde und exakte
Positionsbestimmung der Warnmeldung. Ein ähnliches System exisistiert bereits,
jedoch ist dieses schlecht ausgebaut und ungenau. Neu soll auch eine Quittierung des
Alarms möglich sein.
5. Arbeitsplätze schaffen
Durch die Entwicklung und Betrieb von Galileo sollen bis 2020 rund 130‘000 bis
180‘000 Arbeitsplätze geschaffen werden.
6. Navigations-Know-How zu Erlangen
Die Hersteller der meisten Satellitennavigationssysteme befinden sich in den USA.
Mit Galileo hat der europäische Markt nun die Chance, sich in dieser Industrie zu
beteiligen und mit zu forschen.
7. Die weltweite Abdeckung von Satelliten verbessern
Galileo wird bei uns etwas besser zu empfangen sein.
Zukünftige Navigationsempfänger werden sowohl GPS, als auch Galileo Signale
auswerten können. Dadurch erhöht sich die Genauigkeit.
Dokumentation Kurzvortrag Seite 5 von 12 Burgdorf, 03.12.2010
Satellitennavigation Matthias Schranz
GLONASS (Russland) : russisch Globalnaja Nawigazionnaja Sputnikowaja Sistema
auf Deutsch Globales Satellitennavigationssystem
Gestartet wurde das Programm von der früheren UdSSR.
Die ersten Satelliten wurden für Testzwecke am 12.
Oktober 1982 in ihre Umlaufbahn gebracht. Geplant sind
24 Satelliten (21 Standart und 3 Reserve) Am 18. August
waren jedoch nur 14 Satelliten funktionsfähig. Die
Satelliten haben eine durchschnittliche Lebensdauer von
nur 3 bis 4 Jahre. Diese kurze Lebensdauer bremst den
Vollausbau.GLONASS ist im Moment noch nicht vollständig
zur zivilen Nutzung freigegeben. Ein funktionsfähiges
System, zu welchem auch Zivilisten Zugriff haben, ist auf
ende 2012 geplant.
Abbildung 5 Russisches Logo von GLONASS
Compass (China)
Über das chinesische Satellitennavigationssystem Compass ist noch nicht sehr viel bekannt. Geplant
wäre eine Fertigstellung bis 2015. Jedoch ist das Projekt im Verzug. China ist zudem am europäischen
Galileo beteiligt. Daher ist nicht ganz klar, ob Compass überhaupt je fertiggestellt wird. Die
Raumfahrtsbehörde gab jedoch bekannt, das System komplett ausbauen zu wollen.
Dokumentation Kurzvortrag Seite 6 von 12 Burgdorf, 03.12.2010
Satellitennavigation Matthias Schranz
4. Geschichte
1939 Patent für „Standortanzeiger“
Der deutsche Ingenieur Karl Hans Janke reichte 1939 in Berlin ein Patent für einen
„Standortanzeiger, insbesondere für Luftfahrzeuge“ ein. Vom Prinzip her sehr ähnlich
wie GPS. Jedoch war die Zeit noch nicht reif für Jankes geniale Idee.
Um 1945 Diverse Funknavigationssysteme wurden entwickelt
Diese Systeme funktionierten jedoch noch ohne Satelliten. Und die Ortung war sehr
ortseingeschränkt und ungenau. Sie dienten vorallem der Schiffahrtsnavigation.
1958 Erste Satellitennavigation „Transit“
Die US Marine begann mit der entwicklung eines ersten Satellitennavigationssystems.
Es erreichte jedoch nur eine Genauigkeit von ca. 500m- 100m und man konnte die Position
nur 1mal pro Stunde berechnen.
1973 Beschluss für ein Satellitennavigationssystems
Das US Verteidigunsministerium beschliesst ein Satellitennavigationssystem
basierend auf den alten Systemen der Navy und der Airforce.
Bis 1979 diverse Systemtests
Ab 1979 Start erster GPS-Satelliten
1980 Beschluss das System vollständig auszubauen
Obwohl es immer wieder zu finanziellen Problemen und Kürzungen kam, wollte man
das System komplett ausbauen. Zu diesem Zeitpunkt sahen noch nicht alle das
riesiege Potenzial eines Satellitennavigationsystemes.
1982 Russland beginnt GLONASS aufzubauen
Während des kalten Krieges begann Russland aus strategischen Gründen ein eigenes System
aufzubauen. Vom Prinzip her ist es aber sehr ähnlich wie das NAVSTAR-GPS.
1983 GPS wird zur zivilen Benutzung geöffnet
Aufgrund eines Aschusses von einem zivilen Flugzeug, welches sich verirrt hatte, wurde
beschlossen, GPS auch für zivile Anwender zu öffnen.
1990 Zeitweise Abschaltung der Selected Avaiability
Während des Golfkrieges wurde die SA abgeschaltet. Dies hatte zur Folge, dass das zivile
Signal genau so präzis wurde wie das militärische. Der Grund war, dass das militärische Signal
komplett ausgenutzt war, und sie daher auch das zivile Signal für ihre Operationen nutzen
wollten. Später wurde die Signalverfälschung wieder aktiviert.
1995 Volle Betriebsbereitschaft (FOC, Full Operation Capability)
2000 Definitive Aufhebung der SA -> Genauigkeit von 20m
2000 Europa beginnt mit der Planung von GALILEO
2004 Start des 50. GPS-Satelliten
Dokumentation Kurzvortrag Seite 7 von 12 Burgdorf, 03.12.2010
Satellitennavigation Matthias Schranz
5. Anwendungen
Strassenverkehr
Sehr viele Autos im Strassenverkehr sind heutzutage mit
GPS ausgerüstet. Die GPS-Empfänger sind ausgerüstet mit
Kartenmaterial. So wird jeder Autofahrer per Knopfdruck
auf schnellstem Weg zu seinem Ziel gelotst.
Abbildung 6 GPS Navigationsgerät in einem Audi
Outdoorbereich
Im Outdoorbereich werden GPS-Geräte vorallem
eingesetzt, um die Position auf einer Karte zu
bestimmen. Es gibt jedoch auch schon GPS-Geräte, die
haben die Karte direkt integriert.
Abbildung 7 Navigation mit Hilfe von GPS
Multimedia
Viele Multimediageräte sind heutzutage mit GPS ausgerüstet. Einerseits
um die Position zu Orten oder Positionen zu speichern. Es gibt
Fotoapparate, die verknüpfen jedes Foto direkt mit den GPS-Koordinaten
des Aufnahmeortes. So kann später auf einer Landkarte alle Aufnahmen
zugeordnet werden. Abbildung 8 Kamera mit GPS-Empfänger
Militär
Bei militärischen Anwendungen spielt GPS eine sehr grosse
Rolle. Sei es die Ortung von Feinden, autonome Steuerung
von Drohnen, Zielanvisierung von Raketen etc. Gleichzeitig
stellt GPS aber auch eine Verwundbarkeit dar. Schafft es ein
Feind, das GPS Signal zu stören oder unbrauchbar zu
machen, hätte das sehr grosse Folgen.
Abbildung 9 militärische Sonderinheit im Krieg
Flugverkehr
Praktisch alle Flugzeuge orientieren sich heute mit Hilfe
von GPS. GPS wäre aus der heutigen Luftfahrt nicht mehr
wegzudenken.
Abbildung 10 GPS-Gerät für Flugzeuge
Dokumentation Kurzvortrag Seite 8 von 12 Burgdorf, 03.12.2010
Satellitennavigation Matthias Schranz
Seefahrt
Früher mussten sich Kapitäne mühsamst an den Sternen
orientieren. Danach kamen Peilgeräte auf. Aber auch die
waren noch ziemlich umständlich. Heutzutage ist es mit
GPS sehr viel angenehmer, schneller und genauer.
Abbildung 11 GPS-Gerät (links) auf einem Segelschiff
Fazit und Blick in die Zukunft
Heutzutage ist GPS in sehr vielen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Flug- und Schiffahrt ist auf
das GPS angewiesen, um sich präzis und schnell zu orientieren. Auf für den Normalen Nutzer hat GPS
fast nur Vorteile. Im Moment wird sehr viel an GPS geforscht. Ziel ist es immer wie kleinere GPS-
Empfänger zu bauen, welche auch viel weniger Energie verbrauchen.
Autonome Roboter orientieren sich viele mit Hilfe von GPS. Ziel wäre es auch, Autos zu bauen,
welche sich Autonom mit Hilfe von GPS fortbewegen und zu einem Ziel fahren können. Dazu gibt es
auch Forschungswettbewerbe wie die Darpa Challenge.
Abbildung 12 Auto "Junior" der Darpa Challenge
Dokumentation Kurzvortrag Seite 9 von 12 Burgdorf, 03.12.2010
Satellitennavigation Matthias Schranz
6. Technik
GPS Funktioniert auf dem Prinzip der Signallaufzeitmessung.
Beispiel Gewitter
Abbildung 13 Grafik Laufzeit bei einem Gewitterblitz
Gibt es einen Blitz während einem Gewitter, nimmt man zuerst das Licht und einige
Sekundenbruchteile später den Donner wahr. Anhand dieser Differenz, kann man die Laufzeit
ermitteln. Die Zeit, welche der Blitz braucht um zum Auge zu gelangen, kann man weglassen.
Nun weiss man die Dauer, welche der Schall hatte, und wie schnell sich Schall fortbegen kann. So
kann man die Entfernung berechnen.
Vereinfachtes Prinzip GPS
Abbildung 14 Prinzip GPS in der Ebene
Der Empfänger weiss, wann der Sender das Signal abgesendet hat. Dadurch kann er die Laufzeit und
die Position berechnen.
Dokumentation Kurzvortrag Seite 10 von 12 Burgdorf, 03.12.2010Satellitennavigation Matthias Schranz
Da man mit GPS aber eine Positionsbestimmung im 3 dimensionalen Raum durchführt, braucht es
dafür 3 Satelliten. Bei drei Kuglen ergeben sich 2 Schnittpunkte. Einer ist aber weit weg von der
Erdoberfläche, der kann weg gelassen werden.
Abbildung 15 Prinzip Ortung im Raum
Das Problem der Zeitsynchronisation
Bis jetzt ist man davon ausgegangen, dass alle Satelliten und der Empfänger Zeitlich genau
synchronisiert sind. Die Satelliten sind alle mit Atomuhren ausgestattet und untereinander
synchronisiert. Eine Atomuhr aber in jedem GPS-Sender einzubauen würde viel zu teuer kommen.
Daher löst man das Problem folgendermassen:
Abbildung 16 Prinzip GPS ohne Zeitsynchronisation
Weiss man die Position der Sender, also der Abstand
zwischen ihnen, muss der Empfänger die exakte Zeit
nich wissen. Jedoch braucht es dazu einen Sender
mehr.
Dokumentation Kurzvortrag Seite 11 von 12 Burgdorf, 03.12.2010Satellitennavigation Matthias Schranz
Nun ist das System ja nicht in einer Ebene sondern in drei Dimensionen. Wie schon weiter oben
ausgeführt, brauchen wir im Raum 3 Satelliten. Dann haben wir aber immer noch das Problem mit
der Zeitsynchronisation. Das heisst, es kommt eine unbekannte mehr dazu.
Sind bei Berechnungen N-Grössen unbekannt,
brauchen wir N unabhängige Gleichungen.
Die endgültige Formel ist sehr kompliziert und wird hier nicht weiter ausgeführt.
7. Quellen
Literatur
Grundlagen der Satellitennavigation ublox J.M. Zogg
Satelliten- und Navigationssysteme P. Raemy
Internet
http://www.b-landau.de/mathematik-hinter-gps/
http://de.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System
http://de.wikipedia.org/wiki/Satellitennavigation
http://sat-nav.de
http://www.teltarif.ch/navigation/gps.html
http://www.rwe.com/web/
http://www.kowoma.de/gps
Dokumentation Kurzvortrag Seite 12 von 12 Burgdorf, 03.12.2010Sie können auch lesen
