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GPS (Global Positioning System)
(Hier geht’s wieder eine Ebene höher...) Inhaltsverzeichnis dieser Seite: Einleitung
“Auf dem Gebiet der Navigation und Orientierung ist GPS der größte Schritt nach vorn, seit der Magnetkompass eingeführt wurde. Es ist genauer, vielseitiger, kostengünstiger und handlicher als alle anderen bisher verfügbaren Navigationshilfen und auch noch in Lagen brauchbar, in denen andere Verfahren versagen.” Das GPS (Global Positioning System) ist heutzutage Dabei sind heutzutage Positionsangaben möglich, deren Genauigkeit im Bereich von 10 Metern liegt. Außerdem ist das GPS-System quasi unabhängig vom Wetter. Einschränkungen existieren lediglich in Tunneln oder Tiefgaragen usw. Diese faszinierende Technik soll hier etwas genauer vorgestellt werden.
Ursprünglich lautete die korrekte Bezeichnung für das System, welches heute (fast) jeder nur unter der Bezeichnung GPS (Global Positioning System) kennt, NAVSTAR-GPS (Navigation System for Timing and Ranging Global Positioning System). Erdacht und in der Realität umgesetzt wurde das NAVSTAR vom US-amerikanischen Verteidigungsministerium (Department of Defense, DoD). Während der Beschluss zur Entwicklung des Systems schon 1973 erfolgte, und ab 1978 die ersten Satelliten ins Weltall transportiert wurden, dauerte es doch immerhin bis 1995, bis das System voll funktionsfähig war (Full Operational Capability, FOC). Man hatte zunächst vorgehabt, das System ausschließlich militärisch zu nutzen (in Luft- und Seefahrzeugen, Waffensystemen usw.). Nach dem Abschuss einer zivilen koreanischen Maschine im Jahre 1983, die sich versehentlich über sowjetischem Luftraum befand, wurde diese Haltung jedoch überdacht. Allerdings wurde mittels einer künstlichen Verschlechterung des Signals die Genauigkeit des GPS herabgesetzt. Dieses bezeichnete man als Selective Availability (SA) und Sinn des ganzen war, dass militärische Gegner das System nicht gegen die USA nutzen können sollten. Seit Mai 2000 ist die SA allerdings abgeschaltet, so dass auch „normale“ Nutzer GPS-Systeme mit einer hohen Genauigkeit nutzen können. Da allerdings eine Abhängigkeit vom amerikanischen Verteidigungsministerium bzw. der politischen Weltsituation besteht, plant beispielsweise Europa ein eigenes, unabhängiges Satellitennavigationssystem namens GALILEO. Dieses wird keiner militärischen Kontrolle unterliegen sondern uneingeschränkt zivilen Nutzern zur Verfügung stehen.
Weiterhin gehören zum System Bodenstationen, die auch als Kontrollstationen bezeichnet werden und natürlich die GPS-Empfangsgeräte, die z.B. im Auto oder im Rettungshubschrauber eingebaut sind. Vereinfacht gesagt, basiert das Funktionsprinzip des GPS auf der Messung der Zeit, die es gedauert hat, bis das vom Satelliten ausgesandte Signal den GPS-Empfänger erreicht hat. Da man weiß, wie schnell dieses Signal sich vom Satelliten fortbewegt, kann man durch diese Messung die genaue Entfernung des Satelliten bestimmen. Für die genaue Zeitmessung gibt es an Bord eines jeden Satelliten vier Atomuhren. Zur Uhrzeit werden außerdem die Bahndaten des Satelliten und eine große Anzahl von Korrekturdaten kodiert mitgesendet. Die meisten kennen sicherlich die Methode, beim Gewitter die Entfernung des Blitzeinschlages durch zählen der Sekunden nach der Beobachtung des Blitzes zu ermitteln. Da das Licht sich unglaublich schnell bewegt (Lichtgeschwindigkeit, 300.000 km/sec.) kann man diesen Faktor unberücksichtigt lassen. Der Schall dagegen wird wesentlich langsamer fortgeleitet, nämlich mit etwa 340 m/sec. Beobachte ich also einen Blitz und höre dann nach sechs Sekunden den Donner, dann ist der Blitz etwa 2 Kilometer entfernt gewesen. Dieses Prinzip wird auch beim GPS eingesetzt, nur natürlich viel viel genauer. (Siehe dazu auch “Die Atomuhren” weiter unten). Die Schritte zur Positionsbestimmung Bislang habe ich allerdings mit der Entfernungsmessung zu dem einen Satelliten nicht viel gewonnen. Um meine Positionsbestimmung zu erlangen, bedarf es weiterer Satelliten, von denen mein GPS-Empfangsgerät ebenfalls die genaue Entfernung „mitgeteilt“ bekommt. Außerdem senden die Satelliten dem GPS-Empfänger ihre eigene Position. Da die Umlaufbahnen der Satelliten in etwa 20.200 km Höhe genau bekannt sind, kann das Empfangsgerät also seine eigene Position relativ zu der der Satelliten ermitteln. Um bei dem Beispiel mit dem Gewitter zu bleiben: Nehmen wir an, es existieren mehrere Personen, die sich an unterschiedlichen Orten im Umkreis des Gewitters befinden und die genau wissen, auf welcher Position sie selbst sich gerade befinden. Diese Personen bestimmen nun ihre jeweilige Entfernung zum Gewitter durch zählen der Sekunden zwischen dem Sehen des Blitzes und dem Hören des Donners. Jetzt ziehen alle Personen auf einer Landkarte einen Kreis:
Wenn nun die Personen A, B und C ihre Landkarten alle übereinander legen würden, müssten sich (theoretisch) an einer Stelle die drei Kreise treffen. Dies wäre dann die genaue Position des Gewitters gewesen. Auf das GPS übertragen bedeutet das folgendes: (Siehe dazu die Grafik unten). Die Satelliten “ziehen rechnerisch” von ihrer jeweiligen – zur Erde genau lotrechten – Position aus Kreise. Diese werden Standkreise genannt. Ein Standkreis markiert alle Punkte gleichen Abstands vom Satelliten zum Empfänger. Die einzelnen Satelliten können nicht “sehen”, wo auf dem Kreis sich der Empfänger befindet, da sie nur „wissen”, dass dieser sich irgendwo auf dem Standkreis befindet. Jedoch: An dem Schnittpunkt der Standkreise von mehreren Satelliten befindet sich die Position desjenigen mit dem GPS-Empfangsgerät. (Genau genommen funktioniert das noch etwas komplizierter, aber das soll an dieser Stelle erst mal genügen, da das Prinzip so verständlich wird. Mehr dazu unten unter „Das Fehlerdreieck“).
Wie funktioniert der genaue Zeitabgleich zwischen Sende- und Empfangsgerät? Bedingt durch die extreme Geschwindigkeit des Satellitensignals, welches die Erde in etwa 0,07 sec. erreicht, müssen die Uhr des Satelliten und die des Empfangsgerätes exakt übereinstimmen. Schon eine Abweichung zwischen der Satellitenuhr und der Uhr im GPS-Empfangsgerät von nur 1/100 Sekunde (!) würde eine Verfälschung meiner Positionsbestimmung von etwa 3000 km ausmachen! Damit wäre das GPS-System dann völlig unnütz. Die Satelliten sind daher mit Atomuhren ausgestattet, deren Abweichung nur ± eine Sekunde in einer Million Jahren beträgt. Diese eigentlich nicht vorstellbare Genauigkeit ist unabdingbar für das funktionieren von GPS. Nun habe ich ja im GPS-Empfangsgerät keine Atomuhr, denn sonst wäre dieses Gerät sehr teuer. Stattdessen befindet sich eine normale Quarzuhr in dem Gerät. Diese Uhr wird gewissermaßen an die genaue Atomuhr-Zeit der Satelliten synchronisiert, sodass eine Pseudo-Atomuhr aus dem GPS-Empfangsgerät wird. Wie funktioniert der genaue Zeitabgleich zwischen Sende- und Empfangsgerät? Bedingt durch die extreme Geschwindigkeit des Satellitensignals, welches die Erde in etwa 0,07 sec. erreicht, müssen die Uhren des Satelliten und die des Empfangsgerätes exakt übereinstimmen. Schon eine Abweichung zwischen der Satellitenuhr und der Uhr im GPS-Empfangsgerät von nur 1/100 Sekunde (!) würde eine Verfälschung der Positionsbestimmung von etwa 3000 km ausmachen! Damit wäre das GPS-System dann völlig unnütz. Die Satelliten sind daher, wie schon oben erwähnt, mit Atomuhren ausgestattet, deren Abweichung nur ± eine Sekunde in einer Million Jahren beträgt. Diese eigentlich nicht vorstellbare Genauigkeit ist unabdingbar für das funktionieren vom GPS. Nun ist freilich im GPS-Empfangsgerät keine Atomuhr, denn sonst wäre dieses Gerät sehr viel teurer. Stattdessen befindet sich eine normale Quarzuhr in dem Gerät. Diese Quarzuhr wird gewissermaßen an die genaue Atomuhr-Zeit der Satelliten synchronisiert, sodass eine Pseudo-Atomuhr aus dem GPS-Empfangsgerät wird. Dies funktioniert über spezielle Codes, die das GPS-Empfangsgerät von den Satelliten empfängt.
(Siehe dazu auch die Abbildung unten). Genau genommen, ist durch die verschiedenen Standkreise eine genaue Positionsbestimmung zunächst noch nicht möglich. Durch geringste Abweichungen zwischen den Satellitenuhren und der Empfängeruhr entsteht zunächst ein sogenanntes Fehlerdreieck. Genau in diesem Fehlerdreieck befindet sich der GPS-Empfänger. Ein Abgleich der Empfängeruhr mit den Uhren der Satelliten führt gewissermaßen zum Verschieben der Standkreise, nun lässt die Position sich genau bestimmen.
Aufgrund der durch das GPS erreichten Genauigkeiten werden die bisherigen Verfahren der Ortsbestimmung immer unwichtiger. Andere Navigationssysteme (z. B. Decca, Funkortungsverfahren, das in der Schiff-Fahrt angewendet wird) werden daher bald nicht mehr benötigt. Gleichzeitig wird die Anzahl der Seezeichen (Fahrwasserbetonnung, Leuchtfeuer etc.) aus Kostengründen abgebaut. Durch die so entstehende Abhängigkeit vom GPS-System wäre bei einem Ausfall (z. B. im militärischen Nutzungsfall) die Seeschifffahrt weitgehend stillgelegt. In Kombination mit einer computergestützten Navigation werden auch Seekarten zunehmend überflüssig. Sie werden mithilfe von Computern verarbeitet, die Position wird über Schnittstellen der GPS-Geräte direkt eingelesen, gegebenenfalls mit dem Radarbild gekoppelt und dokumentiert (elektronisches Logbuch). An Land wird das GPS zunehmend für Verkehrsleitsysteme eingesetzt. Kraftfahrzeuge werden zukünftig mit GPS ausgestattet werden und sie können dann über elektronische Landkarten geleitet werden.
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nicht nur in der Fliegerei, Seefahrt oder im Landvermessungswesen, sondern auch im Privatbereich (z.B. im Auto oder Outdoor-Bereich) ein unentbehrlicher und zuverlässiger Helfer geworden. Beim Fliegen etwa lassen sich eine Vielzahl von Angaben, wie z.B. meine aktuelle Entfernung zum Ziel, meine Geschwindigkeit über Grund, die voraussichtliche Flugdauer bis zum Ziel (ETE, Estimated Time Enroute) und vor allem natürlich meine derzeitige Position, mit GPS-gestützten Navigationssystemen sehr genau machen.
Das System besteht aus 24 Satelliten, von denen 21 erforderlich sind für den Betrieb und drei eine operationelle Reserve darstellen. Jedoch wurde im März 2004 der 50. GPS-Satellit ins Weltall transportiert. Dies beruht zum einen auf der begrenzten Lebensdauer der Satelliten und zum anderen wurden im Laufe der Jahre die Satelliten technisch immer weiter entwickelt, so dass heutzutage bereits die fünfte Generation im Einsatz ist. Von den Satelliten der ersten Generation (sog. Block I Satelliten) ist heutzutage kein einziger mehr im Einsatz.
