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GPS - Global Positioning System


Global Positioning System


Das GPS dient (wie der Name schon sagt) zur Bestimmung der Position eines Empfängers. Es ist auf der gesamten Welt verwendbar, denn es bedient sich der Satellitentechnik. Ziel war es, ein passives System zu erstellen, das dauerhaft arbeitet und keine Initialisierungen benötigt. Auf der einen Seite sollte es einer unbegrenzten Benutzerzahl zur Verfügung stehen, andererseits wollte man aber auch verhindern, daß der Nutzer geortet werden kann. Auch sollten die Empfangsgeräte tragbar und gegenüber (gewollten als auch ungewollten) Störungen möglichst immun sein. Die Positionsbestimmung ist weder vom Standort, noch von der Uhrzeit und auch nicht vom Wetter abhängig.

Beim GPS handelt es sich um eine militärische Entwicklung, bei welcher aber auch die zivile Nutzung mit eingeplant wurde. Es kann also der Nutzerkreis und auch die Systemgenauigkeit während des Betriebes vorgegeben bzw. eingeschränkt werden.





Bei der höchsten Genauigkeitsstufe ergeben sich für bewegte Objekte folgende Meßgenauigkeiten:

Position                    von ca. 16 m (Militär)
bis ca. 100 m (Zivil)

Geschwindigkeit von ca. 0,2 m/s

Zeit                          300ns - 400ns


Befindet sich der Empfänger in Ruhe, so ergeben sich wesentlich genauere Messungen:

Position                    von einigen Zentimetern (Militär)
bis ca. 15 m (Zivil)


Das Ortungs- und Navigationssystem

Der gesamte Komplex der satellitengestützten Ortung umfaßt drei Hauptgruppen:

die Satelliten als Sendernetz (Space Segment)

die Boden- oder Kontrollstationen             (Control Segment)

der Empfänger          (User Segment)


Die Satelliten

Es werden zur Zeit 21 Satelliten + 3 aktive Ersatzsatelliten eingesetzt. Somit sind nun auch kurzzeitige Überdeckungslücken in einigen Bereichen der Erde vermieden worden (ursprünglich verwendete man 18+3 Satelliten). Sie laufen in etwa 20.200 km Höhe auf nahezu kreisförmigen Bahnen um die Erde; die Umlaufzeit beträgt 12 Stunden. Da zur genauen Bestimmung der Position mindestens 4 Satelliten nötig sind, bilden jeweils 4 Stück eine Ebene. Daraus ergibt sich die Anzahl von 6 Ebenen (=Umlaufbahnen).




Die Satelliten senden im wesentlichen ihren Identifizierungscode, eine hochgenaue, synchronisierte Uhrzeit und ihre jeweilige Position im All. Damit kann mit Hilfe geeigneter Empfänger und Auswerteverfahren eine dreidimensionale Ortsbestimmung und somit Zielführung, aber auch eine Zeitsynchronisation erfolgen.


Die Stationen

Alle Satelliten werden von einer Hauptstation und 5 Kontrollstationen am Boden kontrolliert. Letztere empfangen die Signale aller sichtbaren Satelliten und berechnen daraus die jeweilige Entfernung zu ihnen. Dieses Meßergebnis und gegebenenfalls andere wichtige Daten für einen Satelliten werden der Hauptstation zusammen mit meteorologischen Daten übermittelt. Das Kontrollzentrum berechnet daraus für jeden Satelliten die erforderlichen Parameter, die seine Umlaufbahn und sein Uhrenverhalten beschreiben. Diese Korrekturdaten werden über die Verbindungsstationen in die "Navigation Message" des Satelliten eingebunden.




Die Orte der Kontrollstationen sind so gewählt, daß jeder Satellit diese mindestens einmal pro Tag so überquert, daß er vier Stationen gleichzeitig "in Sicht" hat. Der Grund hierfür ist folgender: Wenn man das Signal eines Satelliten in vier Stationen gleichzeitig empfängt, deren Standorte genau vermessen und damit bekannt sind, so kann man auch den Standort des Satelliten und dessen Uhrengenauigkeit bestimmen bzw. überprüfen und gegebenenfalls korrigieren.


Der Empfänger

Hier werden die gewünschten Standort-, Navigations- oder Zeitdaten berechnet.

Grundsätzlich unterteilt man die Empfängertypen grob in drei Gruppen:

Empfänger für zivile Nutzung mit eingeschränkter Genauigkeit

Empfänger für militärische Nutzung mit hoher Genauigkeit

Geodäsieempfänger für die Auswertung der Trägerphase


Die Nachrichten der Satelliten werden auf zwei Trägerfrequenzen im GHz-Bereich, dem sogenannten L-Band, in digitaler Form übertragen. Diese Nachrichten werden im Empfänger entschlüsselt, um daraus in nachgeschalteten Rechnern die notwendigen Berechnungen anzustellen.

Alle Vorgänge, wie die Erzeugung der Trägerfrequenz, die Bereitstellung der Rechner, die Erzeugung der digital codierten Information etc. erfordern ein hochgenaues, stabiles Frequenznormal. Aus diesem Grund haben alle Satelliten Atomuhren an Bord, die mit einer Genauigkeit von etwa 1x10-13 s arbeiten. Dies entspricht in etwa einer Abweichung von 1 ns pro Tag, oder anders formuliert einer tausendstel Sekunde seit Beginn unserer Zeitrechnung ! Aufgrund der zentralen Bedeutung dieser Bausteine hat jeder Satellit vier solcher Uhren an Bord.

Aus der Frequenz der Atomuhren wird eine Grundfrequenz von f0 = 10,23 MHz bestimmt. Alle anderen Frequenzen werden von dieser abgeleitet.


Wie bereits erwähnt, werden zwei Trägerfrequenzen (L1=1575,42MHz & L2=1227,60MHz) verwendet. Während der L1-Träger alle Informationen beinhaltet (entspricht dem C/A-Code ), sind im L2-Träger entweder nur der P-Code , oder aber auch noch Systemdaten enthalten, wie z.B. die Korrekturdaten für die Rücksetzung einer künstlichen Verschlechterung.



Die Frequenz des C/A-Codes (für die Zivilnutzung) beträgt ein Zehntel der Frequenz des vom Militär genutzten P-Codes. Die eingeschränkte Genauigkeit für die zivile Nutzung wurde also hier vorgegeben. Man unterscheidet deshalb in:

Standard Positioning Service" (SPS)                    für C/A-Code Zivil

Precise Positioning Service (PPS) für P-Code Militär


Positionsbestimmung mit GPS

Grundsätzlich besteht die Standortbestimmung aus der Messung der Laufzeitdifferenzen der einzelnen Satellitensignale. Hier ein Beispiel:



Die beiden Sender P1und P2 sowie der gesuchte Punkt P (=Empfänger) liegen hier auf einer Linie. Da ja die Koordinaten der Sender bekannt sind, ist auch der Abstand dieser beiden bekannt. Daraus, mit welchem Zeitunterschied die jeweils gleichartigen Signale (zum Zeitpunkt 0 oder 1 oder 2, ) beim Ziel ankommen, und aus dem Abstand der Sender kann nun die Position des Empfängers berechnet werden.

Wie vorher schon gesagt, benötigen wir 4 Satelliten, um den Standort richtig zu erkennen. Man kann sich das recht gut am unteren Bild überlegen:

2 Sender: Beide Signale breiten sich kugelförmig aus. Wo sich nun diese beiden Kugeln überschneiden, bilden die Schnittpunkte einen Kreis. Ich befinde mich also irgendwo auf diesem Kreis.

3 Sender: Die dritte Kugel schneidet diesen Kreis in zwei Punkten. Es ist aber immer noch nicht sicher, welcher denn nun meiner Position entspricht.

4 Sender: Nur mit dem vierten Sender ergibt sich nun eindeutig mein Standpunkt.




Da diese vier Satelliten u.a. auch ihre genaue Position senden, kann nun der genaue Standort des Empfängers errechnet werden. Die Signale der Sender werden stets in einem bestimmten Takt (=Systemfrequenz) abgegeben. Die Empfängeruhr hingegen läuft mit zehnfacher Systemfrequenz. Somit kann das Einlangen eines Impulses vom Satelliten wesentlich genauer bestimmt werden. Es ist auch sinnvoll, den Empfängertakt auf den gesendeten Systemtakt zu synchronisieren (sobald ein Impuls einlangt Synchronisation).


Ein Empfänger im Zivilbereich ist auf die Frequenz L1 abgestimmt (C/A-Code). Alle Informationen, einschließlich des Codes, sind mit der Systemzeit synchronisiert. Der Inhalt des Signals wird nun decodiert. Um zu erkennen, um welchen Satelliten es sich handelt, sind deren Namen im Empfänger gespeichert.


Geschwindigkeitsmessung

Man mißt zweimal in bestimmtem Abstand die Position. Der zurückgelegte Weg ist nun bekannt. Ebenso die Zeit, die in der Zwischenzeit vergangen ist. Durch die allseits bekannte Formel v=s/t läßt sich nun die Geschwindigkeit errechnen. Diese Methode ist die Einfachste, allerdings gibt es wesentlich aufwendigere, dafür aber auch genauere Meßdurchführungen.


Differentielles GPS (DGPS)

Eine Genauigkeitssteigerung für die absolute Positionsbestimmung läßt sich mit einem differentiellen GPS erreichen. Hierzu wird ein zweiter Empfänger benötigt, der an einem stationären Ort mit bekannter Position die gleichen Satelliten empfängt, wie der mobile Empfänger.

Die Differenz zwischen empfangener und bekannter Position des stationären Empfängers ergibt den Fehler im Signal. Anschließend muß der Fehler an die mobile Station beispielsweise per Funk übermittelt werden. In dem mobilen GPS-Empfänger ist dann bei der Positionsbestimmung dieser

Fehler zu berücksichtigen. Je nachdem wie gut der Fehler ermittelt wird, läßt sich eine Genauigkeit von deutlich unter fünf Metern erreichen. Diese differentielle Methode läßt sich in einem Umkreis von ungefähr 100 km um den stationären Empfänger anwenden.


QuQQuellenverweis

Frank Schrödter: GPS, Satelliten-Navigation - Franzis' (ISBN 3-7723-6682-1)

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