GPS

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[bearbeiten] GPS

Das GlobalPositioningSystem ist ein satellitengestütztes Ortungssystem, das vor allem als Navigationshilfe in der Luftfahrt und Seefahrt sowie für elektronische Lotsen und als Diebstahlsschutz in Autos eingesetzt wird.

Zur Bestimmung der Position des mobilen Empfängers wird durch Messung der Signallaufzeit von dem Empfänger zu den GPS-Satelliten seine Entfernung und relative Position zu diesen Satelliten errechnet. Bei den aktiven GPS-Systemen werden dazu von der Station, deren Position bestimmt werden soll, Signale an die GPS-Satelliten gesendet, bei den passiven GPS-Systemen hingegen wertet der Empfänger am Boden die Signale aus, die er von den GPS-Satelliten empfängt.

Quelle: [net-lexikon.de]

GPS besteht aus drei Komponenten, dem Air Segment (die Satelliten, 28-29 Stück), dem ground segment und dem Control segment. Letzteres sind Bodenstationen, von denen es ein paar (etwa vier) auf der Welt verteilt gibt. Diese senden Daten an die Satelliten.

Die Empfänger gehören zum Ground Segment, empfangen aber ausschliesslich. GPS liefert drei Daten: Position, (System-)Zeit und Geschwindigkeit, wobei die Zeit sehr genau und die Geschwindigkeit bei guten Empfängern auf ca. 0,5km/h korrekt ist. Alle Positionswerte beziehen sich auf ein Koordinatensystem, das sog. WGS84. Das ist eine Vereinfachung der Erdform. Die Erde ist nämlich nicht exakt eine Kugel, sondern hat, genau betrachtet, eine ungleichmässige Oberflächenhöhe und ist an den Polen abgeflacht, böse verglichen wie eine Kartoffel. Das WGS84 beschreibt ein Rotationsellipsoid, welches sich im Durchschnitt möglichst nah an die echte Erde annähert.

Wie bekommt man nun eine Position? Die Satelliten erzeugen jeder einen Code, den sog. PR (pseudo random) Code. Dieser wiederholt sich regelmässig und ist festgelegt, inhaltlich wie zeitlich. Jeder Empfänger generiert zum gleichen Zeitpunkt genau denselben Code wie die Satelliten. Die Zeitdifferenz zwischen der empfängerseitigen Codegenerierung und dem Empfang des Satellitencodes ist die Laufzeit. Multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit ergibt sich dann eine Entfernung zu dem Satelliten.

Das war das Grundprinzip, nun zur Positionsbestimmung: Man braucht mindestens vier Satelliten, um eine Position zu bekommen. Mit einem würde man als Position eine Kugel erhalten. eine kugel geschnitten mit der erdoberfläche ergibt aber doch schon einen kreis oder nicht?-> richtig, aber mit GPS kann man nicht nur Positionen auf der Eroberfläche, sondern auch in der Höhe bestimmen. Deshalb war das Beispiel Allgemein gehalten. Im Flugzeug z.B. ist die Schnittmenge mit der Erdoberfläche relativ uninteressant, wenn man fliegt. Man könnte natürlich sagen, ich nehme eine Schnittmenge mit meiner angenommenen Flughöhe. Bei zwei SVs ergibt sich als mögliche Position ein Kreis. Erst bei Empfang von drei SVs bleiben nur noch zwei Schnittpunkte übrig. Einer davon ist normalerweise sonstwo im All, weshalb man einen eindeutigen Standort hat. Warum braucht man nun vier SVs? Wie oben geschrieben errechnet der Empfänger einen Laufzeitunterschied zwischen eigens erzeugtem und empfangenem Signal. Während in den SVs natürlich sehr genaue (und teure) Atomuhren ihren Dienst tun, kann nicht jeder Empfänger ebenfalls eine so genaue Uhr haben. Aber schon ein Uhrenfehler von einer Sekunde würde einen Fehler von ~300000km produzieren (c=300000km/s). Selbst bei einer tausendstel Sekunde Ganggenauigkeit wäre der Fehler noch 300km.

Deshalb braucht man einen vierten SV, um den Uhrenfehler zu eliminieren. Mit vier Messungen kann der Empfänger eine Matrix aufbauen und rechnerisch den eigenen Uhrenfehler rauskriegen.

Bei Empfang eines fünften SV kann der Empfänger feststellen, ob ein Satellit defekt ist und bei mindestens sechs empfangenen SVs kann er sogar den defekten Satellit erkennen.

Bis vor ca. drei Jahren haben die USA, die die alleinigen Inhaber des GPS-Systems sind, eine künstliche Verschlechterung des Signals eingebaut, die sog. Selective Availability (SA). Mit der war die maximal mögliche GPS-Genauigkeit auf ~100m horizontal und ~165m vertikal beschränkt. Die SA wurde jedoch wie gesagt vor etwa drei Jahren abgeschaltet. Deshalb ist GPS jetzt grob auf 10-15m genau. Mögliche Fehlerquellen sind Abschattung und Reflexion, welche die Laufzeit vergrößern würde.

10-15m Genauigkeit sind zwar gut, aber moderne Navi-Geräte verbessern diesen Wert noch durch einen kleinen Trick: Sie vergleichen die errechnete Position mit dem intern gespeicherten Kartenmaterial und "setzen" das Auto immer auf die nächstliegende Straße.






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