Globalt positionerings system

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Bevægelse af GPS -satellitter rundt om jorden. Sorte prikker repræsenterer satellitter med visuel kontakt til det blå referencepunkt på jordoverfladen.

Global Positioning System (GPS German Global Positioning System), officielt NAVSTAR GPS er et globalt navigationssatellitsystem til positionering . Det blev udviklet af det amerikanske forsvarsministerium siden 1970'erne og erstattede det gamle NNSS ( Transit ) satellitnavigationssystem fra den amerikanske flåde fra omkring 1985, ligesom Vela -satellitterne til lokalisering af atomvåbeneksplosioner . GPS har været fuldt funktionsdygtig siden midten af ​​1990'erne [1], og siden kunstig signalforringelse ( selektiv tilgængelighed ) blev slukket den 2. maj 2000, har det også gjort det muligt for civile brugere at opnå en nøjagtighed på ofte bedre end 10 meter. Nøjagtigheden kan øges til værdier i centimeterområdet eller bedre ved hjælp af differentielle metoder ( differential GPS / DGPS ) i nærheden af ​​en referencemodtager. Med de satellitbaserede forbedringssystemer ( SBAS ), der distribuerer korrektionsdata via geostationære satellitter, der ikke kan modtages i polarområderne og også tilhører klassen af ​​DGPS-systemer, opnås nøjagtigheder på en meter på tværs af kontinentet. GPS har etableret sig som den vigtigste positioneringsmetode på verdensplan og bruges i vid udstrækning i navigationssystemer .

Det officielle navn er " Navigational S atellite T IMing a nd R was concern - G lobal Positioning System" (NAVSTAR GPS). NAVSTAR er undertiden bruges som en forkortelse for "Nav igation S ystem bruger T IMing en nd R blev berørt" (uden GPS). Systemet blev officielt taget i brug den 17. juli 1995 .

Forkortelsen GPS er nu almindeligt kendt, selv fachsprachlich delvist som en generisk betegnelse eller pars pro toto, der bruges til alle satellitnavigationssystemer, der korrekt under symbolet GNSS (atellite G lobal N avigation (al) S S ystem) er opsummeret.

Bradford W. Parkinson , Hugo Fruehauf og Richard Schwartz modtogQueen Elizabeth Prize for Engineering i 2019 for udviklingen af ​​GPS.

Anvendelsesområder

GPS var oprindeligt beregnet til positionsbestemmelse og navigation på det militære område (i våbensystemer , krigsskibe , fly osv.). I modsætning til mobilenheder kan GPS -enheder kun modtage signaler, men ikke aktivt sende dem. På denne måde kan du navigere uden at tredjeparter modtager oplysninger om din egen placering. I dag bruges GPS også konsekvent i den civile sektor: Til rumlig orientering i søfarende , luftfart og vejtrafik samt ved ophold i naturen; til positionsbestemmelse og sporing i rednings- og brandvæsenet, i offentlig transport og i logistiksektoren.

DGPS-metoder er af særlig betydning i geodesi i Tyskland efter etableringen af satellitpositioneringstjenesten for den tyske landmålingstjeneste (SAPOS), da de kan bruges til at udføre landsdækkende målinger med centimeters nøjagtighed. I landbruget bruges det i præcisionslandbrug til at bestemme maskinernes position på marken.

Assisted Global Positioning System (A-GPS) blev specielt udviklet til brug i mobiltelefoner.

Placeringsfunktionens struktur og funktionalitet

Stationær GPS-modtageantenne til tidskritiske videnskabelige målinger

Det generelle princip for GPS -satellitpositionering er beskrevet i artiklen Global Navigation Satellite System .

GPS er baseret på satellitter, der kontinuerligt sender deres nuværende position og det nøjagtige tidspunkt med kodede radiosignaler. Specielle modtagere (GNSS) kan beregne deres egen position og hastighed ud fra signaludbredelsestiderne . Teoretisk er signalerne fra tre satellitter, som skal være over deres frakoblingsvinkel , tilstrækkelige til at bestemme den nøjagtige position og højde. I praksis har GPS -modtagere ikke et ur, der er tilstrækkeligt præcist til korrekt at måle transittiderne mod GPS -tiden . Derfor er signalet fra en fjerde satellit påkrævet, hvormed referencetiden kan bestemmes i modtageren. For det nødvendige antal satellitter, se også: GPS -teknologi

Med GPS -signalerne kan ikke kun positionen, men også modtagerens hastighed og bevægelsesretning bestemmes, som derefter kan vises på et digitalt kort eller som et kompas . Da dette generelt gøres ved at måle Doppler -effekten eller differentiere placeringen efter tid (mål og retning for den bestemte lokale ændring), er kompassmåling kun mulig, når modtageren har bevæget sig. [2]

Satellitkonstellationen blev bestemt på en sådan måde, at det normalt er muligt for en GPS -modtager at have kontakt med mindst fire satellitter. Seks kredsløbsniveauer hælder 55 ° til ækvator og dækker næsten hele verden. GPS -enheder kan ikke bruges i polarområderne, men andre satellitnavigationssystemer, hvis satellitter kører i forskellige kredsløb.

Ifølge den grundlæggende GPS -konfiguration skal mindst fire satellitter i hvert af de seks kredsløb flyde rundt om jorden to gange på hver siderisk dag i 20.200 km højde. En satellit af IIR -versionen er for eksempel designet til en levetid på 7,5 år. For at undgå fejl på grund af tekniske defekter holdes yderligere satellitter klar. Nogle af disse er placeret i udvidede slots i konstellationen og spiller en aktiv rolle der. Andre inaktive udskiftningssatellitter venter i kredsløb på at blive indsat. Et hul, der opstår i konstellationen, fører ikke til nogen begrænsning af signalets tilgængelighed, hvis en umiddelbart tilstødende udvidet slot er optaget. For at udfylde et hul kan en ny satellit opsendes, en sovende satellit, der allerede kredser, kan aktiveres, eller en aktiv satellit kan manøvreres til en anden position. Alle disse foranstaltninger er tidskrævende. Det tager måneder at få en satellit i den position, den skal indsættes. Omplacering kan finde sted inden for et baneniveau ved en række bremse- og accelerationsmanøvrer, så længe brændstofforsyningen er tilstrækkelig, hvilket normalt kun bruges til at opretholde den nøjagtige position. På grund af den svage motor kan en satellit ikke flytte sig selv til et højere kredsløbsplan.

Sendte data

Datasignalet med en datahastighed på 50 bit / s og en rammeperiode på 30 s transmitteres parallelt på to frekvenser ved hjælp af metoden med spredt spektrum :

  • L1 -frekvensen (1575,42 MHz) , C / A -koden ("Coarse / Acquisition") til civil brug og den ikke offentligt kendte P / Y -kode ("Precision / encrypted"), der bruges til militær brug. Det transmitterede datasignal er identisk for begge kodesekvenser og repræsenterer 1500- bit navigationsmeddelelsen. Det indeholder alle vigtige oplysninger om satellitten, dato, identifikationsnummer, korrektioner eller baner, men også status, og det tager et halvt minut at sende . GPS -modtagere gemmer normalt disse data midlertidigt. For at initialisere enhederne transmitteres de såkaldte almanakdata , som indeholder alle satelliternes grove kredsløbsdata, og som tager tolv minutter at sende.
  • Den anden frekvens, L2 -frekvens (1227,60 MHz) , sender kun P / Y -koden. Eventuelt kan C / A -koden transmitteres på den anden frekvens. Ved at transmittere på to frekvenser kan ionosfæriske effekter, der fører til en stigning i transittiden, beregnes, hvilket øger nøjagtigheden. Som en del af GPS-moderniseringen er der siden 2005 også blevet transmitteret en ny civil C-kode (L2C) med en optimeret datastruktur (satellitter af type IIR-M og IIF).
  • Den tredje L5 -frekvens (1176,45 MHz) er i øjeblikket under opførelse. Det er beregnet til yderligere at forbedre modtagelighedens robusthed og er primært beregnet til applikationer inden for luftfart og redningstjenester. De L5-kompatible IIF-satellitter har været i brug siden 2010, siden 28. april 2014 indeholder L5-signalerne brugbare navigationsdata, og siden 31. december 2014 er disse blevet opdateret dagligt. L5 bruger den samme moderniserede datastruktur som L2C -signalet. [3] [4]

Hver satellit har en modtager til en dataforbindelse i S-båndet (1783,74 MHz til modtagelse, 2227,5 MHz til transmission).

C / A kode

C / A-koden, der bruges til modulering af datasignalet i den civile sektor, er en pseudo-tilfældig kodesekvens med en længde på 1023 bits. Transmissionsbitene i en kodesekvens kaldes "chips" i "spredt spektrum" -modulationer og bærer ikke brugerdatainformation, men bruges kun til demodulation ved hjælp af korrelation med selve kodesekvensen. Denne 1023 chip lange sekvens har en periodelængde på 1 ms, og chips -Rate er 1.023 Mcps. De to kodegeneratorer for guldsekvensen består hver af 10-bit lange skiftregistre og kan sammenlignes med skiftregistre med lineær feedback , selv om de hver for sig ikke resulterer i den maksimale sekvens. Generatorpolynomerne G 1 og G 2, der bruges i C / A -koden, er:

Den sidste guldsekvens (C / A -kodesekvens) opnås ved et kodefaseskift mellem de to generatorer. Faseskiftet vælges forskelligt for hver GPS -satellit, så de resulterende transmissionssekvenser (chipsignalsekvenser) er ortogonale med hinanden - dette muliggør uafhængig modtagelse af de enkelte satellitsignaler, selvom alle GPS -satellitter er på de samme nominelle frekvenser L 1 og L 2 send (såkaldt kodedivisionsmultiplex , CDMA-metode).

I modsætning til de pseudotilfældige støj sekvenser fra lineære tilbagekoblingsskifteregistre ( LFSR ), de også pseudotilfældige støj sekvenser fra Gold kodegeneratorer har betydeligt bedre krydskorrelationsegenskaber hvis de underliggende generator polynomier udvælges i overensstemmelse hermed. Det betyder, at forskellige guldsekvenser med de samme generatorpolynomer indstillet ved kodefaseskiftet er næsten ortogonale i forhold til hinanden i kodeområdet og derfor næppe påvirker hinanden. LFSR-generatorpolynomerne G1 og G2, der bruges i C / A-koden tillader maksimalt 1023 kodefaseforskydninger, hvoraf cirka 25% har en tilstrækkelig lille krydskorrelation til CDMA-modtagelse i GPS-applikationer. Det betyder, at ud over maksimalt 32 GPS -satellitter og deres navigationssignaler kan omkring 200 flere satellitter også overføre data til GPS -modtagerne på den samme transmissionsfrekvens - denne kendsgerning bruges f.eks. Som en del af EGNOS til transmissionen af atmosfæriske korrektionsdata, vejrdata og data for civil luftfart udnyttet.

Da datahastigheden for de overførte brugerdata er 50 bit / s, og en brugerdatabit er nøjagtigt 20 ms lang, transmitteres en enkelt brugerdatabit altid ved at gentage en guldsekvens nøjagtigt 20 gange.

Den valgbare kunstige fejl Selektiv tilgængelighed , som ikke har været brugt siden år 2000, blev opnået med C / A -koden ved at udsætte chipsenes (klokkesignal) for en let tidsmæssig udsving ( jitter ). Den regionale forstyrrelse af GPS -signaler opnås af det amerikanske militær via GPS -jammere og gør derfor ikke GPS til et pålideligt orienteringsmiddel i alle tilfælde, da det ikke pålideligt kan afgøres, om og hvor langt GPS -signaler er fra den egentlige UTM / MGRS - Koordinater er forskellige.

P (Y) kode

En amerikansk luftvåbens soldat gennemgår en tjekliste til styring af GPS -satellitter i et satellitkontrolrum på Schriever Air Force Base i Colorado (USA).

Den længere P-kode, som mest bruges af militæret, bruger såkaldte JPL-sekvenser som en kodegenerator. Den er opdelt i den offentligt dokumenterede P -kode [5] og den hemmelige Y -kode, der bruges til kryptering på radiogrænsefladen, som kan slås til eller fra efter behov. Kombinationen af ​​disse kaldes P / Y -koden. Kryptering med Y-koden skal muliggøre drift, der er så manipuleringssikker som muligt ( anti- spoofing eller AS-tilstand ). AS-tilstanden er blevet permanent aktiveret siden 31. januar 1994, og den offentligt kendte P-kode transmitteres ikke længere direkte.

P-koden er dannet af fire lineære skiftregistre ( LFSR ) med længde 10. To af dem danner den såkaldte X1-kode, de to andre X2-koden. X1 -koden kombineres med X2 -koden ved hjælp af XOR -links, så i alt 37 forskellige faseskift resulterer i 27 forskellige ugesegmenter af P -koden. Længden af ​​denne kode er meget længere end C / A -koden. X1 -kodegeneratoren leverer en længde på 15.345.000 chips og X2 en kodesekvens, der er præcis 37 chips længere. Den tid, det tager for P-koden at gentage sig selv, er 266 dage (38 uger). P / Y -koden sendes med en chiphastighed på 10,23 Mcps, hvilket er ti gange chiphastigheden for C / A -koden. Det kræver derfor et bredere frekvensspektrum end C / A -koden.

For at skelne mellem de enkelte GPS -satellitter i P / Y -koden er den meget lange kodesekvens på omkring 38 uger opdelt i individuelle ugesegmenter. Hver GPS -satellit har en kodesektion tildelt den, der varer præcis en uge , og i begyndelsen af ​​hver uge (søndag 00:00) nulstilles alle P -kodegeneratorer til startværdien. Det betyder, at P / Y -koden gentages en gang om ugen for hver GPS -satellit. Jordstationerne kræver fem ugentlige segmenter af den 38 uger lange P-kode til kontrolopgaver. Der tilbydes 32 ugentlige segmenter for at skelne mellem de enkelte GPS-satellitter.

C / A -koden bruges til at skifte - såkaldt aflevering - til P / Y -koden. Da P-kodesekvensen for hver GPS-satellit varer i en uge, ville det være praktisk umuligt at synkronisere simple modtagere direkte med P-kodesekvensen uden at kende den nøjagtige GPS-tid. Enkle GPS -modtagere, der bruger P / Y -koden, synkroniseres først med C / A -koden, indhenter de nødvendige koblingsoplysninger såsom tid, ugedag og andre oplysninger fra de transmitterede data og bruger dem til at indstille deres P -kodegeneratorer i overensstemmelse hermed skift derefter til at modtage P / Y -koden.

Moderne militære GPS -modtagere er nu udstyret med et meget større antal korrelatorer , svarende til SiRFstar III -chipsættet, der bruges i den civile sektor, hvilket gør det muligt at evaluere P / Y -koden direkte. Disse modtagere kaldes af producenterne for "direkte Y-kode" -modtagere. Denne generation af modtagere gør det muligt at afbryde C / A -koden for at forhindre brug af civile GPS -modtagere af modstridende kræfter, for eksempel for at måle affyringspositioner . Da båndbredden på det militære signal er ca. 20 MHz, kan 1–2 MHz båndbredden i C / A -koden, der bruges til civile formål, blive afbrudt uden at påvirke militære modtagere væsentligt. Dette og antagelsen om, at nutidens konflikter er regionalt begrænsede, førte til beslutningen om at slukke den kunstige forringelse permanent.

De nøjagtige parametre for Y-kryptering af P-koden er ikke offentligt kendt. Parametrene for navigationsdataene (brugerdata, rammestruktur, bithastighed), der transmitteres ved hjælp af P / Y -koden, er imidlertid nøjagtigt identiske med de data, der transmitteres ved hjælp af den offentligt kendte C / A -kodesekvens. Den største forskel er, at uret i P / Y -kodesekvensen i satellitten ikke er genstand for kunstige urfejl, og P -koden har 10 gange urfrekvensen for C / A -koden. På denne måde kan P / Y -modtagere indhente oplysninger om transmissionstiderne, hvilket er afgørende for at bestemme positionen, mere præcist.

Der er streng kontrol med overførsel af P-kodedata til lande uden for NATO. Sådanne brugere sådan. B. det schweiziske luftvåben modtager den nuværende P-kode, som ændres ugentligt af NSA, og uploader den til navigationshardwaren i deres kampfly. Uden denne opdatering falder målnøjagtigheden af ​​de indbyggede våben drastisk. [6]

Formeringsegenskaber for signalet

I de anvendte frekvensområder spreder den elektromagnetiske stråling sig næsten i en lige linje, svarende til synligt lys, men er næppe påvirket af skydække eller nedbør. På grund af GPS -satelliternes lave transmissionseffekt er det imidlertid nødvendigt med en direkte sigtelinje til satellitten for den bedste modtagelse af signalerne. I bygninger var en GPS -modtager først mulig for nylig. Ny modtagerteknologi muliggør applikationer i bygninger under gunstige forhold. Flere reflekterede signaler ( flervejseffekt ) kan føre til unøjagtigheder mellem høje bygninger. Desuden z. Nogle gange er der store unøjagtigheder ved ugunstige satellitkonstellationer, f.eks. Hvis kun tre satellitter, der står tæt sammen, er tilgængelige fra en retning til positionsberegning. For en nøjagtig bestemmelse af positionen bør det være muligt at modtage fire satellitsignaler fra forskellige retninger.

Den 50. Space Wing af Air Force Space Command (AFSPC) fra det amerikanske luftvåben ved Schriever AFB , Colorado, er ansvarlig for den centrale kontrol af GPS'en.

Den tekniske implementering inklusive dets matematiske grundlæggende er beskrevet i artiklen GPS -teknologi .

GPS tid

Hver GPS -satellit er udstyret med et eller flere atomure. Den på denne måde bestemte tid sammen med satellitens nøjagtige position er en forudsætning for at bestemme GPS -modtagerens position. Samtidig stilles et globalt standardiseret tidssystem til rådighed. Tiden modtaget af en GPS -modtager er i første omgang GPS -tid , en atomisk tidsskala uden et springsekund . GPS -tiden er derfor 18 sekunder foran Coordinated Universal Time (UTC) siden 1980 (fra januar 2017). Satellitmeddelelsen indeholder den aktuelle forskel mellem GPS -tid og UTC. Dette gør det muligt at beregne den nøjagtige UTC i modtageren. Hvis transittiden for satellitsignalet er præcist bestemt, garanterer GPS -systemet en afvigelse fra UTC på maksimalt et mikrosekund.

Nuclear Detection System

GPS -satellitterne er en del af US Nuclear Detection System (NDS) -programmet, tidligere kendt som Integrated Operational Nuclear Detection System (IONDS), som er en del af DSP ( Defense Support Program ). De har optiske og røntgensensorer og også detektorer til EMP . De formodes at registrere atombombeeksplosioner og opsendelser af ICBM'er med en rumlig opløsning på 100 m. [7] GPS'en har erstattet Vela -systemet.

historie

Transit-O satellit (operationel generation)

Ud over jordbaserede radionavigeringssystemer som Decca Navigation System , der blev udviklet under Anden Verdenskrig, som senere primært tjente til maritim navigation og kun var tilgængelig lokalt på grund af dets princip, udviklede den amerikanske flåde den første Transit- satellit navigationssystem fra 1958 og fremefter. Oprindeligt kendt som Navy Navigation Satellite System (NNSS) , blev det brugt militært fra 1964 til vejledning af ballistiske missilerubåde og hangarskibe fra den amerikanske flåde og fra 1967 også til civile formål. Dens transmissionsfrekvenser var mellem 150 og 400 MHz, og den opnåede en nøjagtighed på mellem 500 og 15 m. Den har været ude af drift siden 31. december 1996.

Lancering af GPS-satellitten NAVSTAR 58 den 25. september 2006 ombord på en Delta II 7925-9.5 raket

GPS -programmet blev startet med oprettelsen af ​​JPO ( Joint Program Office ) i 1973. [8] Bradford W. Parkinson betragtes som en medopfinder af det globale positioneringssystem, der bruges af militæret. Sammen med amerikanerne Roger L. Easton og Ivan A. Getting , der primært skal nævnes som opfindere til civil brug af GPS, udviklede han GPS. Den første GPS-satellit blev opsendt i 1978 [9] fra Vandenberg opsendelsessted SLC-3E med en Atlas F- raket i kredsløb i 20.200 km højde og en banehældning på 63 °.

Efter nedtrapningen af Korean Air Lines Flight 007 meddelte USA's præsident Reagan den 16. september 1983, at GPS ville blive frigivet til civil brug. I 1985 blev den sidste første generations satellit opsendt med en Atlas-E raket fra Vandenberg affyringsrampe SLC-3W. [10]

Med introduktionen af ​​GPS II-serien (1989) flyttede virksomheden til Cape Canaveral og affyrede fra LC-17 affyringsrampen med Delta 6925 missiler . Serien GPS IIA til GPS IIR-M fulgte med Delta 7925 missiler . Hældningen blev reduceret til 55 ° ved start fra Cape Canaveral, mens banehøjden blev opretholdt. [11] I december 1993 blev den oprindelige operationelle kapacitet bestemt. På det tidspunkt var 24 satellitter i brug. Fuld operationel kapacitet blev opnået i april 1995 og annonceret den 17. juli 1995. GPS-IIF-serien, hvis første satellit GPS IIF-1 blev lanceret i 2010, har ikke længere en solid-state apogee-motor , men lanceres af sine Delta-IV- eller Atlas-V- løfteraketter direkte i GPS-kredsløb i stedet for på en overførsel bane, som det var almindeligt op til GPS-IIR-M-serien. [12]

For at udelukke uautoriserede brugere - potentielle militære modstandere - fra en nøjagtig positionsbestemmelse blev nøjagtigheden for brugere, der ikke har en nøgle, kunstigt forringet (selektiv tilgængelighed = SA, med en fejl på mere end 100 m). SA skulle implementeres i Block II -satellitterne, fordi C / A -tjenesten var betydeligt bedre end oprindeligt forventet. Der var næsten altid isolerede satellitter, hvor SA ikke var aktiveret, så præcise tidstransmissioner var mulige. Den 2. maj 2000 blev denne kunstige unøjagtighed af satellitterne slukket, og fra omkring 4:05 UTC og frem sendte alle satellitter et SA-frit signal. [13] Siden kan systemet også bruges til præcis positionsbestemmelse uden for det tidligere eksklusive anvendelsesområde. Det førte blandt andet til et boom i navigationssystemer i køretøjer og udendørs, da målefejlen nu er mindre end 10 m i mindst 90% af målingerne.

Den 25. september 2005 lancerede en Delta II- raket den første GPS-satellit i GPS 2R-M ( m odernized) serien ud i rummet. Antennen er blevet forbedret, og transmissionsspektret er blevet udvidet til at omfatte en anden civil frekvens og to nye militære signaler. I brug siden december 2005 udvidede den nye satellit flåden af ​​fuldt funktionelle satellitter til 28. I juni 2008 var 32 satellitter aktive. Den 17. august 2009 lancerede GPS 2R-M8, den sidste GPS-satellit i denne serie, med succes i sin overførselsbane med en Delta II-raket.

Den 28. maj 2010 placerede en Delta IV Medium + (4.2) den første GPS-IIF-satellit i GPS-kredsløb. Denne serie er blevet yderligere forbedret (herunder mere præcise atomure ). [14]

Pentagon bemyndigede USA's luftvåben den 9. maj 2008 til at bestille de første otte satellitter i den tredje serie. 2 milliarder dollars blev stillet til rådighed til udvikling og konstruktion. Tredje generation består af i alt 32 satellitter og erstatter GPS II -systemet fra 2014. De adskiller sig i deres øget signalstyrke og andre foranstaltninger for at gøre signal forstyrrelser vanskeligere. Lockheed Martin og Boeing konkurrerede om kontrakten, som automatisk ville omfatte levering af de næste 24 satellitter. [15] Den 15. maj 2008 vandt Lockheed Martin kontrakten om at bygge de to første GPS IIIA -satellitter. [16] I mellemtiden siges ordren at være forøget til otte satellitter. [17]

Satellitter

Målingsdiagram : Jorden med GPS-satellitbane (grøn stiplet linje), geostationær bane (sort stiplet linje), arealet af den nærliggende jordbane (turkisbånd) og kredsløb om den internationale rumstation (rød stiplet linje nær omkredsen af jorden).

GPS -satellitterne er nummereret på flere måder:

  • Sekventielt Navstar -nummer på satellitten: Dette er navnet på satellitten i internationale registre.
  • Positionen på de seks hovedbaner A til F.
  • USA -nummer: dette har været brugt til at nummerere amerikanske militære satellitter siden 1984.
  • på hinanden følgende SVN -nummer (rumkøretøjsnummer) til GPS -satellitter.
  • PRN -nummer, der identificerer signalkodningen (ikke satellitten) og vises på GPS -modtageren. Hvis en satellit svigter, kan en anden sende sit signal med PRN -koden.

Nuværende konstellation

Konstellationen, der oprindeligt var planlagt af GPS, nu omtalt som den 24-slot basale konfiguration, omfatter seks jævnt fordelte orbitalplan, der hver skråner ved 55 ° til ækvator. Disse cirkulationsniveauer er markeret med bogstaverne A - F. I grundkonfigurationen er fire satellitter i kredsløb i hvert af disse fly, men de er ikke jævnt fordelt. De enkelte positioner i et oplagsniveau er defineret og nummereret 1 - 4.

Den nuværende konfiguration omfatter op til seks ekstra satellitter.

PlaneBextended.jpg

Oplysninger om dette findes i præstationsstandarddokumentet [18] . Teksten i afsnit 3.0 angiver, at de ekstra satellitter er placeret i fly B, D og F. Den egentlige konstellation synes ikke at overholde denne begrænsning. Den ujævnt fordelte belægning af et niveau med satellitter er vist ved hjælp af niveau B som et eksempel. Slidsen B1 udvidet til B1F = B5, B1A = B6 er vist her med rødt. Belægningen på de andre niveauer er ens, men i forskellige vinkler for at sikre optimal grunddækning for GPS -klienterne på jorden.

Konstellationen omfatter satellitter af generation IIR, IIF og III. Nogle operationelle satellitter er ikke en del af konstellationen, men kan integreres, hvis en anden satellit skulle falde tidligt ud på grund af en teknisk defekt, som det skete til tider med Navstar 35. Alle generationens satellitter kræver en årlig pause på op til en dag til rette deres position eller udføre vedligeholdelsesarbejde. [19] [20] [21]

GPS -konstellation 1. januar 2021 [22]
satellit position begynde SVN PRN Katalog nr.
( AFSC )
COSPAR-
betegnelse
Type
NAVSTAR 43 (USA 132) F6 23. Juli 1997 43 13 24876 1997-035A IIR
NAVSTAR 47 (USA 150) E4 11. Mai 2000 51 20 26360 2000-025A IIR
NAVSTAR 48 (USA 151) B3 16. Juli 2000 44 28 26407 2000-040A IIR
NAVSTAR 51 (USA 166) B1 29. Januar 2003 56 16 27663 2003-005A IIR
NAVSTAR 52 (USA 168) D3 31. März 2003 45 21 27704 2003-010A IIR
NAVSTAR 53 (USA 175) E6 21. Dezember 2003 47 22 28129 2003-058A IIR
NAVSTAR 54 (USA 177) C5 20. März 2004 59 19 28190 2004-009A IIR
NAVSTAR 56 (USA 180) D1 6. November 2004 61 02 28474 2004-045A IIR
NAVSTAR 57 (USA 183) C4 26. September 2005 53 17 28874 2005-038A IIR-M
NAVSTAR 58 (USA 190) A2 25. September 2006 52 31 29486 2006-042A IIR-M
NAVSTAR 59 (USA 192) B4 17. November 2006 58 12 29601 2006-052A IIR-M
NAVSTAR 60 (USA 196) F2 17. Oktober 2007 55 15 32260 2007-047A IIR-M
NAVSTAR 61 (USA 199) C1 20. Dezember 2007 57 29 32384 2007-062A IIR-M
NAVSTAR 62 (USA 201) A4 15. März 2008 48 07 32711 2008-012A IIR-M
NAVSTAR 64 (USA 206) E3 17. August 2009 50 05 35752 2009-043A IIR-M
NAVSTAR 65 (USA 213) B2 28. Mai 2010 62 25 36585 2010-022A IIF
NAVSTAR 66 (USA 232) D2 16. Juli 2011 63 01 37753 2011-036A IIF
NAVSTAR 67 (USA 239) A1 4. Oktober 2012 65 24 38833 2012-053A IIF
NAVSTAR 68 (USA 242) C2 15. Mai 2013 66 27 39166 2013-023A IIF
NAVSTAR 69 (USA 248) A3 21. Februar 2014 64 30 39533 2014-008A IIF
NAVSTAR 70 (USA 251) D4 17. Mai 2014 67 06 39741 2014-026A IIF
NAVSTAR 71 (USA 256) F3 2. August 2014 68 09 40105 2014-045A IIF
NAVSTAR 72 (USA 258) E1 29. Oktober 2014 69 03 40294 2014-068A IIF
NAVSTAR 73 (USA 260) B5 25. März 2015 71 26 40534 2015-013A IIF
NAVSTAR 74 (USA 262) C3 15. Juli 2015 72 08 40730 2015-033A IIF
NAVSTAR 75 (USA 265) E2 31. Oktober 2015 73 10 41019 2015-062A IIF
NAVSTAR 76 (USA 266) F1 5. Februar 2016 70 32 41328 2016-007A IIF
NAVSTAR 77 (USA 289) A6 23. Dezember 2018 74 04 43873 2018-109A III
NAVSTAR 78 (USA 293) D6 22. August 2019 75 18 44506 2019-056A III
NAVSTAR 79 (USA 304) E5 30. Juni 2020 76 23 45854 2020-041A III
NAVSTAR 80 (USA 309) B6 5. November 2020 77 14 46826 2020-078A III

Noch nicht aktive Satelliten

Folgende GPS-Satelliten wurden gestartet, sind aber noch im Transfer oder im Test (Stand: 19. Juni 2021).

Satellit Position Start SVN PRN Katalog-Nr.
( AFSC )
COSPAR-
Bezeichnung
Typ
NAVSTAR 81 (USA 319) 17. Juni 2021 48859 2021-054A III

Übersicht über die GPS-Satellitenmodelle

GPS I

Von dieser Baureihe ist kein Satellit mehr aktiv.
Hersteller: Rockwell
Umlaufbahnen: kreisförmig in 20.200 km Höhe mit 63° Inklination . [10]

GPS II/IIA

Hersteller: Rockwell
Umlaufbahnen: kreisförmig in 20.200 km Höhe mit 55° Inklination. [11]

GPS IIR

Masse: 2032 kg
Dimensionen: 152 cm × 193 cm × 191 cm
Elektrische Leistung: 1136 W
Geschätzte Lebensdauer: konstruiert für 6 bis 7,5 Jahre, durchschnittliche tatsächliche Einsatzdauer: 10 Jahre, längste Einsatzzeit: 16 Jahre.
Transponder: 2× L-Band , 1× S-Band
Kosten: 40 Mio. US-Dollar
Hersteller: Lockheed Martin
Nutzlast: 2 Cs-Atomuhren, 2 Rb-Atomuhren
Verbreitung: 21 hergestellt, 13 gestartet, 11 sind im Einsatz, die restlichen 8 wurden zu GPS IIR-M umgerüstet.
Basiert auf: Lockheed-Martins AS 4000 Satellitenbus
Umlaufbahnen: kreisförmig in 20.200 km Höhe mit 55° Inklination. [23]

GPS IIR-M

Start von Navstar 57 (andere Bezeichnungen: USA 183, GPS IIR-M1, GPS IIR-14M): 25. Sept. 2005
Letzter Start: 17. August 2009 [24]
Masse: 2060 kg
Geschätzte Lebensdauer: 13 Jahre
Kosten: 60 Mio. Euro
Hersteller: Lockheed Martin
Verbreitung: 8 aus GPS IIR umgerüstet, alle 8 gestartet
Signal: L2C (zweites ziviles Signal auf L2); L2M (weiteres militärisches Signal, ab 2008). Voraussichtlich L5-Testsignal ab 2008
Nutzlast: 3 Rb-Atomuhren; Sendeleistung regelbar.
Basiert auf: Lockheed-Martins AS 4000 Satellitenbus
Umlaufbahnen: kreisförmig in 20.200 km Höhe mit 55° Inklination. [25]

GPS IIF

Start: erster Start zunächst für 2002 geplant, dann 2007, über 2009, schließlich am 28. Mai 2010.
Signal: L5 (drittes ziviles Signal)
Kosten: 121 Mio. US-Dollar [14]
Nutzlast: 2 Cs-Atomuhren, 1 Rb-Atomuhr;
Hersteller: Boeing
Verbreitung: 12
Umlaufbahnen: kreisförmig in 20.200 km Höhe mit 55° Inklination. [12]

GPS III

Hersteller: Lockheed Martin
Erster Start: 23. Dezember 2018 mit Falcon 9 , Inbetriebnahme voraussichtlich 2020 [26]
Zweiter Start: 22. August 2019 mit der letzten Delta IV Medium
Verbreitung (geplant): 10 Satelliten [27]
Umlaufbahnen: kreisförmig in 20.200 km Höhe mit 55° Inklination. [27]

GPS IIIF

Hersteller: Lockheed Martin [28]
Erster Start (geplant): 2026 [28]
Verbreitung (geplant): 22 Satelliten [28]

Genauigkeit der Positionsbestimmung

Kategorisierung

Es gibt zwei Dienstklassen:

  • Standard Positioning Service (SPS) ist für jedermann verfügbar und erreichte eine Genauigkeit (engl. accuracy ) von ca. 15 m horizontal (in 95 % der Messungen). Nach stetigen Verbesserungen vor allem durch den sukzessiven Ersatz älterer Satelliten durch Nachfolgemodelle wird aktuell eine Genauigkeit von 7,8 m garantiert (in 95 % der Messungen) bzw. 4 m RMS ( root mean square, Standardabweichung ). [29] Diese Genauigkeit gilt jedoch nur für das abgestrahlte Signal im Raum und beschreibt keinen 2D- oder 3D-Fehler. Dazu kommen noch die Empfänger- und Umgebungsfehler wie Empfängerrauschen, Troposphärenfehler, Softwarefehler, Mehrwegesignale usw.
    Im Mai 2000 wurde eine künstliche Ungenauigkeit vom US-Militär abgeschaltet; davor betrug die Genauigkeit 100 m. Mit der vierten Ausbaustufe soll in Krisen- bzw. Kriegsgebieten eine künstliche Verschlechterung (Selective Availability) durch lokale Störung des Empfangs verwirklicht werden.
  • Precise Positioning Service (PPS) ist der militärischen Nutzung vorbehalten und auf eine Genauigkeit für das Signal im Raum von 5,9 m (in 95 % der Messungen) bzw. 3 m RMS ausgelegt. [30] Diese Signale werden verschlüsselt ausgestrahlt.

Eine Erhöhung der Genauigkeit (0,01–5 m) kann durch Einsatz von DGPS ( Differential-GPS ) erreicht werden.

Zur Verbesserung der Genauigkeit dienen satellitengestützte Erweiterungssysteme ( S atellite- B ased A ugmentation S ystems, SBAS ): EGNOS in Europa, WAAS in den USA, MSAS in Japan und GAGAN in Indien.

GPS nutzt eine eigene kontinuierliche Atomzeitskala , welche bei der Einführung von GPS im Jahr 1980 mit UTC übereinstimmte, jedoch keine Schaltsekunden berücksichtigt. Seit der Einführung der letzten Schaltsekunde im Dezember 2016 beträgt die Differenz zwischen beiden Zeiten 18 Sekunden (UTC + 18 Sekunden = GPS-Zeit). Der aktuelle Wert dieser Differenz wird im Nutzdatensignal des Systems übertragen.

Es gibt die folgenden zwei Verfahren, um mittels GPS eine Position zu bestimmen:

  • Code: Dieses Verfahren ermöglicht eine recht robuste Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit von weniger als 10 m. Alle preiswerten Empfänger verwenden dieses Verfahren. Mittels DGPS sind Genauigkeiten unter einem Meter möglich.
  • Code + Trägerphase: Unter guten Empfangsbedingungen und mit präzisen Empfängern ist mit diesem Verfahren eine Genauigkeit von unter 5 m möglich. Die Genauigkeitssteigerung rührt nicht nur vom geringeren Rauschen der Trägerphasenmessung her, sondern auch von der Verwendung der zweiten Frequenz zur Ionosphärenmessung . Soll der Millimeter-Bereich erreicht werden, so ist dies bisher nur im DGPS-Betrieb möglich, weil die lokalen Effekte der Troposphäre berücksichtigt werden müssen.

In Fahrzeugen können zusätzlich Odometrie -Daten wie Geschwindigkeit und Beschleunigung sowie Richtungsdaten (z. B. Differential-Odometer, Drehratensensor ) verwertet werden, um die Position präziser zu bestimmen oder auch noch in Funklöchern wie z. B. Tunneln eine Position ermitteln zu können. Da diese Daten nur von den in der Fahrzeugelektronik implementierten Sensoren gemessen und an das Navigationssystem übermittelt werden können, ist diese höhere Präzision derzeit nur von festeingebauten Navigationssystemen zu erreichen.

Relativistische Effekte

Zeitdilatation auf Satelliten relativ zu einer Sekunde auf der Erde (siehe Text)

Die Zeit, die die Atomuhren auf den GPS-Satelliten anzeigen, unterliegt den Effekten der relativistischen Zeitdilatation . [31] Dabei hängt nach der allgemeinen Relativitätstheorie die Ganggeschwindigkeit einer Uhr vom Ort im Gravitationsfeld ab und nach der speziellen auch von ihrer Geschwindigkeit. Das geringere Gravitationspotential in der Satellitenbahn lässt die Zeit schneller vergehen, die Bahnbewegung der Satelliten relativ zu einem ruhenden Beobachter auf der Erde verzögert sie. In einer Flughöhe von ca. 3.000 km heben sich beide Effekte gerade auf, in der GPS-Satellitenbahn überwiegt der gravitative Effekt um mehr als das 6fache. Auf den Satelliten vergeht damit die Zeit schneller als für eine Uhr am Erdboden. Der relative Gangunterschied (Δ t / t ) zu einer irdischen Uhr liegt zwar bei nur 4,4·10 −10 , er ist jedoch deutlich größer als die relative Ganggenauigkeit von Cäsium -Atomuhren, die besser als 10 −13 sind.

In der Grafik liegt die Bezugshöhe im Erdmittelpunkt, die Erdoberfläche entsprechend bei 6370 km. Die Ordinate ist die Zeitdilatation, bezogen auf eine Erdsekunde. Die obere Kurve gibt Auskunft, um wie viele Sekunden die Zeit in großer Höhe und kleiner Gravitation schneller vergeht. Die Zeitverzögerung durch die Bahnbewegung eines Satelliten folgt aus der unteren Kurve. Die Summe beider Effekte führt zur mittleren Kurve.

Aufgrund der Relativbewegung zwischen Empfänger (Erddrehung) und Satellit (Bahnbewegung) unterliegen die Signale dem relativistischen Dopplereffekt . Bei einer Trägerfrequenz von 1,5 GHz variiert das Signal um ±5 kHz. Die Zeit- bzw. Frequenzgenauigkeit der Satellitenatomuhren von besser als 10 −12 genügt, um Eigenbewegungen des Empfängers in der Größenordnung von 1 m/s zu erkennen. Oft wird irrtümlich darauf hingewiesen, dass diese Gangunterschiede zu einem Positionsbestimmungsfehler von mehreren Kilometern pro Tag führten, wenn sie nicht korrigiert würden. Ein solcher Fehler würde nur dann auftreten, wenn die Positionsbestimmung über die Ermittlung der Abstände des GPS-Empfängers zu drei Satelliten anhand eines Uhrenvergleichs mit einer Uhr im Empfänger erfolgte. In diesem Fall würde sich bei jeder dieser Abstandsbestimmungen ein Fehler von ca. 12 km pro Tag anhäufen. Gewöhnliche GPS-Empfänger sind nicht mit einer Atomuhr ausgestattet, stattdessen wird die präzise Zeit am Empfangsort auch aus dem C/A-Code der empfangenen Satelliten bestimmt. Aus diesem Grund sind für eine 3D-Positionsbestimmung mindestens vier Satelliten erforderlich (vier Laufzeitsignale zur Bestimmung von vier Parametern, nämlich drei Ortsparametern und der Zeit). Weil alle Satelliten den gleichen relativistischen Effekten ausgesetzt sind, entsteht hierdurch ein vernachlässigbarer Fehler bei der Positionsbestimmung, weil sich dieser Fehler nur über den Laufzeitunterschied auswirkt. [32]

Damit die Satellitensignale des GPS außer zur Positionsbestimmung auch als Zeitstandard verwendet werden können, wird der relativistische Gangunterschied der Uhren allerdings kompensiert. Dazu wird die Schwingungsfrequenz der Satelliten-Uhren auf 10,229999995453 MHz verstimmt, so dass trotz der relativistischen Effekte ein synchroner Gang mit einer irdischen Uhr mit 10,23 MHz gewährleistet ist. Weitere relativistische Effekte, wie zum Beispiel der Sagnac-Effekt , sind so klein, dass sie bei stationären Empfängern nicht gesondert berücksichtigt werden müssen.

Selective Availability

Unter Selective Availability ( SA ), zu dt. etwa „wählbare Verfügbarkeit“, wird das Hinzufügen von pseudozufälligem Rauschen zu den Signalen für die Positionsbestimmung verstanden. Vor der Abschaltung dieser genauigkeitsverfälschenden Maßnahme am 2. Mai 2000 [33] sollte damit verhindert werden, dass gelenkte Waffensysteme, die außerhalb des US-Militärs zum Einsatz kommen sollten, zur Zielführung mit einem frei erhältlichen GPS-Empfänger ausgestattet werden können. Vor dem Stichtag lag die Genauigkeit der zivilen GPS-Geräte bei etwa 100 Metern oder schlechter, danach bei 10 bis 15 Metern.

Differential-GPS

Differential-GPS (DGPS, auch dGPS) ist eine Sammelbezeichnung für Verfahren, die zusätzlich zum GPS-Signal Korrekturdaten verwenden, um die Genauigkeit zu erhöhen. Die Korrekturdaten stammen id R. von einem weiteren GPS-Empfänger, der Referenzstation , dessen genaue Position bekannt ist. Die zu einem bestimmten Zeitpunkt auftretenden Fehler in der Positionsbestimmung nahegelegener Empfänger sind nahezu identisch, sodass sie in der Differenz herausfallen.

Datenformate

Holux Datenlogger zur Aufzeichnung von GPS-Daten

Als Standardformat von GPS-Daten dient das RINEX -Format, eine Standard- und Formatdefinition, die einen freien Austausch von GPS-Rohdaten ermöglichen soll. Für den Austausch von GPS-Daten in Echtzeitanwendungen ist das RTCM -Format von Bedeutung.

Neben diesen Basisformaten speichern die GPS-Geräte unterschiedlicher Hersteller die GPS-Ergebnisse ( Routen , Track Logs und Wegpunkte ) häufig in eigenen proprietären Dateiformaten. Als allgemeine Austauschformate bieten sich das gpx -Format und das Google-Earth -eigene kml-Format an. Eine Konvertierung zwischen verschiedenen Formaten erlaubt die freie Software GPSBabel .

Störsender

Um das System zu stören, gibt es zum einen die Möglichkeit des Jammings (Jammer = englisch für Störsender ), siehe GPS-Jammer und des GPS-Spoofings . Außerdem könnten die USA aus politischen Gründen das GPS-Signal verzerren oder für eine unbestimmte Zeit in einigen Gebieten auf der Welt das Signal abschalten.

GPS und Datenschutz

Der Aufenthaltsort des Trägers eines GPS-Empfängers lässt sich, da Empfänger passiv arbeiten und keine Signale senden, nicht verfolgen. Für eine GPS-Überwachung wird eine Kombination aus einem passiven GPS-Empfänger mit einem aktiven Sender benötigt, z. B. ein Mobilfunkmodul, der die ermittelten Positionsdaten an Dritte weitergibt. Derartige Kombi-Geräte werden oft fälschlicherweise als GPS-Sender bezeichnet.

GPS wird von der deutschen Polizei für Ermittlungen eingesetzt. Es dient zur Überwachung bestimmter Fahrzeuge und Fahrer. Im April 2005 entschied das Bundesverfassungsgericht , dass der Einsatz des satellitengestützten Systems zur Überwachung in einem strafrechtlichen Ermittlungsverfahren nicht gegen das Grundgesetz verstoße. Der Zweite Senat wies mit diesem Urteil eine Verfassungsklage eines Ex-Mitglieds der Antiimperialistischen Zellen (AIZ) zurück, das beanstandet hatte, eine zweieinhalb Monate andauernde Überwachung seines Fahrzeugs und dessen verschiedener Benutzer habe in übertriebener Weise in Grundrechte der Überwachten eingegriffen.

Der Bundesgerichtshof entschied am 4. Juni 2013, dass die verdeckte Überwachung eines Fahrzeuges mittels eines GPS-Empfängers durch eine Privatdetektei grundsätzlich als strafbewehrter Verstoß gegen das BDSG zu werten ist. Nur bei Vorliegen eines starken berechtigten Interesses an dieser Datenerhebung, etwa in notwehrähnlichen Situationen, komme von diesem Grundsatz eine Ausnahme in Betracht. [34]

GPS in der Praxis

Gebrauch eines GPS-Empfängers bei der Geländearbeit (Hochanden, 1993)

Der Einsatz von GPS-Geräten hat in den letzten Jahren durch die preiswerte Technik erheblich zugenommen. Ein verbreitetes Einsatzgebiet ist das Flottenmanagement von Verkehrsbetrieben und des Transportwesens zu Land und auf Wasser/See. Wenn die Fahrzeuge mit GPS und einem Transponder ausgerüstet sind, hat die Zentrale jederzeit einen Überblick über den Standort der Fahrzeuge.

Handelsübliche zivile GPS-Geräte eignen sich für den Einsatz im Auto und im „Outdoor“-Bereich. Handelsübliche GPS-Empfänger ( GPS-Mäuse ) verwenden meist das NMEA-0183 -Datenformat zur Ausgabe der Positionsdaten.

Einstellbar sind bei den meisten Geräten verschiedene Ausgabeformate wie UTM , MGRS , geographische Koordinaten in Grad, Minuten, Sekunden und weitere. Zur Übertragung von numerischen Koordinaten auf und zur Ermittlung von topographischen Karten ist ein Planzeiger im gleichen Maßstab wie die Karte erforderlich.

Nachteile

Die Überlagerung der durch verschiedene GPS-Empfänger ermittelten Wegstrecken auf dem Birkenkopf bei Stuttgart zeigt Unterschiede in der Genauigkeit auf (Breite des Ausschnitts ca. 400 m)

In der Berufsschifffahrt wie in anderen Gewerben galt GPS lediglich als Ergänzung zur terrestrischen und astronomischen Standortbestimmung . Grund war die unzureichende Zuverlässigkeit und der künstliche Fehler.

2006 entdeckte Alessandro Cerruti von der amerikanischen Cornell University, dass GPS durch Sonneneruptionen gestört werden kann. In den vergangenen Jahren waren diese – und die damit verbundenen geomagnetischen Stürme – wenig ausgeprägt.

Auch kann der GPS-Empfang durch starke Schneefälle gestört werden. Sonstige Wetterverhältnisse, wie Regen und Nebel, beeinträchtigen den Empfang normalerweise jedoch nicht – allerdings ist der Empfang unter regennassem Laub im Wald deutlich schlechter als bei trockener Witterung.

Im wissenschaftlichen Einsatz

Die GPS-Technologie wird in der Wissenschaft für die Vermessung der Erdoberfläche eingesetzt. Für Aufsehen sorgte bspw. im Jahr 2019 eine Studie von Michael Bevis und Kollegen, in der aufgezeigt werden konnte, dass der grönländische Eisschild schneller abschmilzt und somit zu einem rascheren Meeresspiegelanstieg beiträgt als vorherige Berechnungen es noch aufgezeigt hatten; die Verfasser führten dies insbesondere auf die Überhitzung des Klimasystems der Erde zurück, die die Oberflächenmasse Grönlands nach Südwesten hin abschmelzen lässt – ein Effekt der in bisherigen Berechnungen kaum Berücksichtigung fand. [35] Ein vollständiges Abschmelzen des Grönlandeises würde den Meeresspiegel um ca. sieben Meter ansteigen lassen. Ohne Einsatz der GPS-Technologie war die Geschwindigkeit der Eisschmelze noch deutlich unterschätzt worden.

Im geschäftlichen, sicherheitstechnischen und medizinischen Einsatz

Einsatzmöglichkeiten im geschäftlichen, sicherheitstechnischen und medizinischen Umfeld sind zum Beispiel:

  • Trace und Tracking zur Ermittlung und Speicherung von Routen und deren Zeit wie für ein elektronisches Fahrtenbuch.
  • Lokalisation der Standorte von Mitarbeitern, Produkten oder Schutzbefohlenen wie Kinder, Kranke und ältere Menschen.
  • Geofencing zur Verfolgung von Standorten und Geschehnissen in Echtzeit wie für den Personen- und Fahrzeugschutz bei Werttransporten.
  • automatische Steuerung, Überwachung und Aufzeichnung von landwirtschaftlichen Geräten bei der Bestellung von großen Flächen, wobei heute viele Mähdrescher und ähnliche Fahrzeuge mit dieser Technik ausgerüstet sind.
  • Auch die modernen Ausführungen der Elektronischen Fußfessel sind mit GPS ausgerüstet.

Im Sport

GPS-Datenlogger
GPS-Empfänger im Armbanduhrformat

GPS- Datenlogger (zur Erstellung von Tracks ) und kleine Navigationsgeräte werden für Individualsport (Jogging, Radfahren, …) z. B. zur persönlichen Training splanung und -überwachung zunehmend eingesetzt.

Für Sportwettkämpfe gilt, dass eine GPS-Kontrolle jedes Wettkämpfers (ähnlich dem auf Transpondertechnik basierenden ChampionChip -System) grundsätzlich technisch möglich ist, aber die breite Anwendung auf klassische Wettkampfformate ( Breitensportveranstaltung ) noch auf sich warten lässt. Am 1. Mai 2010 wurde der Dresdner 100km-Duathlon als erste Breitensportveranstaltung vollständig und systemidentisch GPS-aufgezeichnet. [36] Bei Sportartexoten wie Geocaching , Kitesurfen , Paragleiten und Segelfliegen hingegen wird eine GPS-Überwachung heutzutage schon durchgeführt.

Eine GPS-gestützte Wettkampfüberwachung bietet Vorteile, wie:

  • Kontrollfunktion: Streckenkonformität (Kürzen die Sportler die vorgegebene Wettkampfstrecke ab?) Dieser Vorteil ist vor allem für den Veranstalter des Wettkampfes relevant.
  • Erlebniswert: Nachvollziehbarkeit des Wettkampfgeschehens im Detail, schafft für die Sportler einen Mehrwert an der Sportveranstaltung.
  • Liveübertragung : Voraussetzung dafür ist die direkte Übertragung der Geodaten und die Darstellung des Wettkampfes. Damit kann z. B. über das Internet eine breite Öffentlichkeit erreicht werden.

Wandern, Skitouren und Bergsteigen

GPS-Geräte ermöglichen die Positionsbestimmung, im Gegensatz zu Kompassen, auch dann, wenn die Sichtbedingungen schlecht sind und das Gelände keine markanten Merkmale aufweist. Jedoch sind sie beim Bergsteigen und auf Skitouren problematisch, weil für die Einschätzung und die Bewältigung eines weglosen, technisch schwierigen Geländes gute Sicht oft unabdingbar ist. Auf den Landkarten – ob auf Papier oder auf dem GPS-Gerät gespeichert – sind die Eigenschaften des Geländes nur grob eingetragen. Zum Beispiel verändern sich Spalten , Bergschründe und Randkluften eines Gletschers Jahr für Jahr, und so bieten auch GPS-Tracks von früheren Touren keine zuverlässige Hilfe bei der Routenwahl. Aus diesem Grund darf man bei Nacht, Nebel, starkem Regen oder Schneefall nur dann unterwegs sein, wenn keine Gefahren drohen, oder wenn die Orientierung anderweitig gewährleistet ist, z. B. durch einen durchgehenden, gut sichtbaren Weg.

In der Luftfahrt

Garmin GPS IIplus bei einem Flug mit einem Motorschirm -Trike

Größter Profiteur des GPS ist die zivile Luftfahrt. Alle modernen Navigationssysteme sind GPS-gestützt, insbesondere in der Verkehrsluftfahrt sind jedoch weiterhin Systeme in Form von VOR - oder NDB -Empfängern und die Trägheitsnavigation üblich, das GPS nimmt hier in der Regel nur eine unterstützende Funktion ein.

Theoretisch, vorbehaltlich der Zulassung, erlauben die Genauigkeiten (P/Y-Signal) sogar automatische Landungen, sofern die Mittellinien der Landebahnen vorher genau vermessen wurden, dh die Koordinaten bekannt sind und zusätzlich DGPS eingesetzt wird. Einige unbemannte Luftfahrzeuge , wie EuroHawk benutzen dieses Verfahren. In der Verkehrsluftfahrt ist es zurzeit (Ende 2008) teilweise zugelassen. Ob ein Anflug nur mit dem GPS als Navigationssystem zugelassen ist, hängt von den Sichtbedingungen, dem genutzten System (GPS, DGPS) und der Ausrüstung von Luftfahrzeug und Landebahn ab. Eine Vorreiterrolle nehmen hier die Vereinigten Staaten ein, jedoch verbreiten sich GPS-gestützte Anflüge auch in Europa immer mehr.

Insbesondere in kleinen Luftfahrzeugen wie Segelflugzeugen oder Ultraleichtflugzeugen , die nicht über Funknavigationsempfänger verfügen, werden GPS-Empfänger gern eingesetzt. Da sich der Pilot durch die navigatorische Unterstützung stärker auf die Führung des Flugzeugs konzentrieren kann, erhöht dies auch die Sicherheit. Die alleinige Navigation nach GPS ist jedoch nicht zulässig, damit es bei einem Ausfall des Systems nicht zu gefährlichen Situationen wie Treibstoffmangel durch Verlust der Orientierung oder Einflug in freigabepflichtige Lufträume kommt.

Wie bei der Nutzung in Kraftfahrzeugen gibt es sowohl fest eingebaute Systeme, wie auch nachgerüstete Geräte. Insbesondere die Nutzung von PDAs mit angeschlossenen GPS-Mäusen nimmt im Freizeitbereich stark zu, da mit geringem Aufwand und Kosten ein leistungsstarkes Navigationssystem verfügbar ist.

Im Auto

Mobiles Navigationssystem für die Benutzung im Auto, Fahrrad oder zu Fuß (Größe: 10 cm breit, 7 cm hoch)

Hier handelt es sich um GPS-Geräte, die mit umfangreicher Landkarten - und Stadtplan - Software ausgestattet sind. Sie ermöglichen meist akustische Richtungsanweisungen an den Fahrer, der zum Beispiel am Beginn der Fahrt lediglich den Zielort wie z. B. Straßenname und Ort einzugeben braucht. Im Auto wird bei Festeinbauten ab Werk (siehe Infotainmentsystem ) unterschieden zwischen Systemen, die Sprachausgabe mit Richtungsangaben auf einem LCD (meist im Autoradioschacht) kombinieren, sowie Sprachausgabe mit farbiger Landkartendarstellung, bei welcher der Fahrer besser räumlich sieht, wo er unterwegs ist.

In letzter Zeit haben PDA -, Smartphone - und mobile Navigationssysteme starken Zuwachs erhalten. Sie können flexibel in verschiedenen Fahrzeugen schnell eingesetzt werden. Meist wird die Routenführung grafisch auf einem Farbbildschirm mit Touchscreen dargestellt.

Bei den meisten Festeinbauten ab Werk sowie den neuesten PDA- und PNA-Lösungen werden Verkehrsmeldungen des TMC-Systems , wonach der Fahrer automatisch an Staus oder Behinderungen vorbeidirigiert werden soll, mit berücksichtigt.

Festeingebaute Systeme sind in der Regel zwar erheblich teurer als mobile Geräte in Form von z. B. PDAs, haben jedoch den Vorteil, dass sie mit der Fahrzeugelektronik gekoppelt sind und zusätzlich Odometrie -Daten wie Geschwindigkeit und Beschleunigung verwenden, um die Position präziser zu bestimmen und auch noch in Funklöchern wie z. B. Tunneln eine Position ermitteln zu können.

Der Vorteil der stark zunehmenden Navigation in Autos liegt darin, dass der Fahrer sich ganz auf den Verkehr konzentrieren kann. Theoretisch kann der Treibstoffverbrauch um 1–3 % gesenkt werden, wenn alle Fahrer den optimalen Weg wählen.

GPS kann zur Diebstahlsicherung genutzt werden. Hierzu wird die GPS-Anlage z. B. des Fahrzeuges mit einem GSM-Modul kombiniert. Das Gerät sendet dann, im Falle eines Fahrzeugdiebstahls, die genauen Koordinaten an einen Dienstleister. In Verbindung mit einem PC kann dann z. B. über das Internet sofort die entsprechende Straße und der Ort abgelesen und die Polizei alarmiert werden.

Den großen Unterschied macht jedoch heute in miteinander vergleichbaren Systemen weniger die Technik, sondern vielmehr das jeweilige Navigationsprogramm und dessen benutzter Datenbestand aus. So gibt es derzeit von Programm zu Programm noch durchaus Unterschiede in der Routenführung.

Im Freien

GPS-Geräte eignen sich zum Einsatz am Fahrrad , beim Wandern (zum Beispiel als kompaktes Gerät am Handgelenk) oder im Flugzeug . Der Funktionsumfang der im Handel erhältlichen Geräte richtet sich nach Anwendungsbereich und Preis. Schon einfache Geräte können heute nicht bloß die Längen - und Breitengrade anzeigen, sondern auch Richtungsangaben machen, Entfernungen berechnen und die aktuelle Geschwindigkeit angeben. Die Anzeige kann so eingestellt werden, dass ein Richtungssymbol ausgegeben wird, das in die Richtung zeigt, die vom Benutzer durch die Eingabe der Zielkoordinaten ( Wegpunkt ) angegeben worden ist. GPS-Geräte stellen hier eine Weiterentwicklung der klassischen Navigation mit Kompass und Karte dar. Diese Funktion wird beim Geocaching benötigt. Hochwertige, moderne Geräte können neben Wegpunkten, Routen und Track Logs auch digitale Karten speichern und damit den aktuellen Standort auf einer Karte darstellen. Für den Außenbereich liegen für verschiedene Länder topografische Karten im Maßstab 1:25.000 zur Nutzung mit dem GPS vor.

Wenngleich die Outdoor -GPS-Geräte dafür nicht primär gedacht sind, können selbst kleine Armbandgeräte in Autos oder in der Bahn (Fensterplatz, ggf. im Wagenübergang ) verwendet werden; der Empfang in Gebäuden ist jedoch mit diesen Geräten gewöhnlich nicht möglich.

2018 werden in Bayern, Tirol und der Schweiz Geräte zur Ortung von Kühen auf Weiden entwickelt und getestet, um Kuhglocken zu ersetzen. [37]

In der Fotografie

Spezielles Foto-GPS auf GPS-fähiger Kamera
Foto-GPS als Universalmodell für alle Kameras mit Blitzschuh (außer Sony)

GPS-Empfänger werden in der Fotografie eingesetzt, ähnlich den Geräten für den Einsatz im Freien . Bei der Aufnahme werden die aktuellen Koordinaten ( Geo-Imaging , Geotagging, Georeferenzierung [38] ) in die Exif -Daten des Bildes eingebracht und mit dem Bild gespeichert.

Einige GPS-Empfänger unterstützen die Ermittlung und Speicherung der Ausrichtung (Blickrichtung der Kamera zum Zeitpunkt der Aufnahme). Dies ist allerdings nicht immer sinnvoll, da die Möglichkeit besteht, den GPS-Empfänger zum Beispiel am Trageband der Kamera zu montieren statt auf dem Blitzschuh, wenn dieser zum Beispiel für den Blitz verwendet wird. Damit ist dann keine sichere Angabe der Richtung zu treffen.

Beeinträchtigungen des GPS-Empfangs bei nicht hinreichend freier Sicht zum Himmel, setzten der Genauigkeit von GPS je nach Bebauung, Baumbewuchs usw. in der Fotografie erhebliche Grenzen. Die Tatsache, dass viele GPS-Empfänger im Zweifelsfall die letzte bekannte Position weiter verwenden, erfordert es, sich dieser Randbedingungen bewusst zu sein und ggf. die EXIF-Daten nachträglich am PC zu korrigieren.

In der Seefahrt

Ein breites Angebot von GPS-Geräten ist auf die besonderen Anforderungen der Navigation in der Seefahrt zugeschnitten. GPS gehört heute zur Grundausstattung eines Schiffes, meist als Kartenplotter , bei dem der über GPS ermittelte Schiffsort in Echtzeit auf einer Elektronischen Seekarte angezeigt wird. Mobile GPS-Empfänger gibt es seit den 1980er Jahren. Mit einem Navigationsprogramm und einer GPS-Maus kann auf dem PC, Notebook oder PDA navigiert werden; heute sind die meisten Mobiltelefone GPS-fähig. In der Großschifffahrt werden integrierte elektronische Informations-, Navigations- und Schiffssteueranlagen ( ECDIS ) verwendet. Die für die Seenavigation bestimmten Geräte verfügen in der Regel über eine Kartenanzeige („Moving Map“) mit speziellen, elektronischen Seekarten in verschlüsselten Formaten. OpenSeaMap verwendet ein freies Format. Viele der Geräte sind wasserdicht gebaut; anspruchsvollere ermöglichen die kombinierte Darstellung der Seekarten mit weiteren Daten wie Wetterkarten oder Radardarstellungen. Beim Automatischen Identifikationssystem (AIS) dient das GPS neben der Positionsermittlung als Zeitbasis für die Koordinierung der Sendefolge.

In Gebäuden

In Gebäuden ist der GPS-Empfang generell reduziert bis unmöglich. Im konkreten Fall hängt es neben den verwendeten Baustoffen im Gebäude und deren Dämpfungsverhalten vom Standort innerhalb eines Gebäudes ab. In Fensternähe bzw. in Räumen mit großen Fenstern und freier Sicht auf den Himmel kann je nach momentaner Satellitenposition durchaus noch eine Standortbestimmung mit reduzierter Genauigkeit möglich sein. In abgeschatteten Räumen wie beispielsweise Kellern ist der GPS-Empfang praktisch immer unmöglich.

Mit neueren Empfänger- Chipsätzen der Firma SiRF (etwa SiRF Star III) oder der Firma u-blox (z. B. u-blox-5) ist in manchen Situationen wie in Gebäuden ein GPS-Empfang durch in Hardware massiv parallelisierte Korrelationsempfänger möglich. Statt wie bei herkömmlichen GPS-Empfängern die Korrelationen der Codefolgen ( CDMA ) zeitlich hintereinander durchzuprobieren und sich nur auf einen Empfangsweg festlegen zu können, werden bei diesen Chipsätzen 204.800 Korrelationsempfänger (SiRF Star III) parallel eingesetzt und zeitgleich ausgewertet. Damit kann der Mehrwegeempfang reduziert werden, und in Kombination mit einer gesteigerten Eingangsempfindlichkeit des HF-Eingangsteils können die an Wänden oder Böden reflektierten GPS-Funksignale unter Umständen im Inneren von Gebäuden oder engen Gassen in dicht verbauten Gebieten noch ausgewertet werden. Allerdings ist bei indirektem Empfang von GPS-Signalen über Reflexionen eine Reduktion der Genauigkeit verbunden, da das Signal dann eine längere Laufzeit aufweist und die genauen zeitlichen Bezüge nicht mehr passen. Der zusätzliche Fehler über Mehrwegeempfang kann einige 10 m betragen.

Bei Ermittlungen gegen mutmaßliche Verbrecher

Die Verwendung von GPS bei strafrechtlichen Ermittlungen in Deutschland ist legal. Der Europäische Gerichtshof für Menschenrechte (EGMR) wies am 2. September 2010 die Klage eines einstigen Mitglieds der linksextremistischen „ Antiimperialistische Zellen “ (AIZ) ab. Damit hat der EGMR die Einschätzung des Bundesverfassungsgerichts bestätigt, das am 12. April 2005 (2 BvR 581/01) so geurteilt und die Beschwerde von Bernhard Uzun zurückgewiesen hatte. [39]

Der EGMR wies in seinem Urteil darauf hin, dass mit der Überwachung weitere Bombenanschläge verhindert werden sollten. „Sie diente damit dem Interesse der nationalen und öffentlichen Sicherheit , der Vorbeugung von Verbrechen und dem Schutz der Rechte der Opfer.“ [40]

Bei Fahrzeugortungen werden versteckte GPS-Ortungsgeräte sowohl von den Behörden als auch von privaten Ermittlern verwendet. Diese Ortungsgeräte sind sehr klein und werden magnetisch am Unterboden der Fahrzeuge in wenigen Sekunden angebracht. Sie funktionieren wochenlang ohne externe Stromquelle. Die Ortungsdaten werden entweder per Funk live übertragen oder aufgezeichnet.

GPS-Referenzpunkt vor dem Landratsamt nahe dem Archäologischen Landesmuseum in Konstanz

Weitere Satellitennavigationssysteme

Siehe auch

Literatur

  • Elliott D. Kaplan (Hrsg.): Understanding GPS. Principles and Applications. Artech House, Boston 1996, ISBN 0-89006-793-7 .
  • Günter Seeber: Satellite Geodesy. 2. Auflage. De Gruyter, Berlin 2003, ISBN 3-11-017549-5 .
  • Guochang Xu: GPS. Theory, Algorithms and Applications. Springer, Berlin 2003, ISBN 3-540-67812-3 .
  • Rainer Höh: GPS-Outdoor-Navigation. Reise-Know-How-Verlag Rump, Bielefeld 2005, ISBN 3-8317-1116-X .
  • Ralf Schönfeld: Das GPS-Handbuch. Monsenstein und Vannerdat, 2005, ISBN 3-86582-234-7 (Zwei Bände, Band 1: Grundlagen, Basis-Funktionen, Navigation und Orientierung, Karten. )
  • Jean-Marie Zogg: GPS und GNSS: Grundlagen der Ortung und Navigation mit Satelliten. u-blox, Thalwil 2009 (Online-Publikation, PDF, 8 MB)
  • Uli Benker: GPS. Praxisbuch und Ratgeber für die GPS-Navigation auf Outdoor-Touren. Bruckmann, München 2009, ISBN 978-3-7654-5110-2 .
  • Manfred Bauer: Vermessung und Ortung mit Satelliten. 6. Auflage. Wichmann, Berlin 2011, ISBN 978-3-87907-482-2 .
  • Martin Asbeck, Stefan Drüppel, Klaus Skindelies, Markus Stein: Vermessung und Geoinformation . Fachbuch für Vermessungstechniker und Geomatiker. Hrsg.: Michael Gärtner. Gärtner, Solingen 2012, ISBN 978-3-00-038273-4 , S.   111–123 .

Weblinks

Commons : Global Positioning System – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

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  3. gps.gov
  4. defense.gov DOD Announces Start of Civil Navigation Message Broadcasting 25. April 2014 ( Memento vom 27. April 2014 im Internet Archive )
  5. IS-GPS-200 Offizielle Website der GPS PUBLIC INTERFACE CONTROL WORKING GROUP (engl.) mit der Referenzdokumentation IS-GPS-200 in der jeweils aktuellen Fassung.
  6. Total abhängig. In: aargauerzeitung.ch. 13. August 2015, abgerufen am 13. August 2015 .
  7. Global Positioning System. In: decodesystems.com. Decode Systems, abgerufen am 13. Januar 2017 (englisch).
  8. GPS Geschichte ab 1973 In: kowoma.de.
  9. Ron White, Tim Downs: How Global Positioning Systems Work. In: pcmag.com. 8. Juli 2008, abgerufen am 13. Januar 2017 (englisch).
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  24. Justin Ray: Bittersweet launch ends several chapters of history. Spaceflight Now, 17. August 2009, abgerufen am 28. Dezember 2012 (englisch).
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  27. a b GPS-3 (Navstar-3) auf Gunter's Space Page
  28. a b c AF Announces selection of GPS III follow-on contract . Secretary of the Air Force Public Affairs, 14. September 2018.
  29. GPS SPS Performance DOD 09/2008, S. 22 (PDF; 1,7 MB).
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  31. J.-F. Pascual-Sánches: Introducing relativity in global navigation satellite systems . In: Annalen der Physik . Band   16 , Nr.   4 . Wiley-VCH, 2007, ISSN 0003-3804 , S.   258–273 , doi : 10.1002/andp.200610229 (englisch).
  32. Martin Asbeck, Stefan Drüppel, Klaus Skindelies, Markus Stein: Vermessung und Geoinformation . Fachbuch für Vermessungstechniker und Geomatiker. Hrsg.: Michael Gärtner. Gärtner, Solingen 2012, ISBN 978-3-00-038273-4 , S.   114–115 .
  33. Selective Availability. In: GPS.gov. Abgerufen am 13. Januar 2017 (englisch).
  34. Bundesgerichtshof: Überwachung von Personen mittels an Fahrzeugen angebrachter GPS-Empfänger ist grundsätzlich strafbar. Pressemitteilung des Bundesgerichtshofs Nr. 96/13. In: juris.bundesgerichtshof.de. Der Bundesgerichtshof, 4. Juni 2013, abgerufen am 4. Juni 2013 .
  35. Bevis, M. et al. (2019). Accelerating changes in ice mass within Greenland, and the ice sheet's sensitivity to atmospheric forcing. Proceedings of the National Academy of Sciences . https://doi.org/10.1073/pnas.1806562116
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  37. Elektronische Kuhglocken in Tirol und Bayern im Test orf.at, 14. Juli 2018, abgerufen am 14. Juli 2018.
  38. commons:Commons:Georeferenzierung Auch auf Wikimedia Commons gibt es georeferenzierte Fotos.
  39. Leitsätze zum Urteil des Zweiten Senats vom 12. April 2005 - 2 BvR 581/01 - ( Memento vom 12. Januar 2012 im Internet Archive )
  40. Europa-Richter billigen heimliche GPS-Überwachung. In: spiegel.de. Spiegel Online, 2. September 2010, abgerufen am 28. Dezember 2012 .