GPS

Was ist GPS?

Das Global Positioning System (GPS) ist ein US-amerikanisches Dienstprogramm, das den Nutzern Ortungs-, Navigations- und Zeitgebungsdienste (PNT) bietet. Dieses System besteht aus drei Segmenten: dem Weltraumsegment, dem Kontrollsegment und dem Nutzersegment. Die U.S. Space Force entwickelt, unterhält und betreibt das Raumsegment und das Kontrollsegment.

Steht für “Global Positioning System”. GPS ist ein Satellitennavigationssystem, das zur Bestimmung der Bodenposition eines Objekts verwendet wird. Die GPS-Technologie wurde erstmals in den 1960er Jahren vom US-Militär eingesetzt und fand in den folgenden Jahrzehnten auch im zivilen Bereich Verwendung. Heute sind GPS-Empfänger in vielen kommerziellen Produkten enthalten, z. B. in Autos, Smartphones, Sportuhren und GIS-Geräten.

Das GPS-System besteht aus 24 Satelliten, die in einer Höhe von etwa 19 300 Kilometern (12 000 Meilen) über der Erdoberfläche im Weltraum stationiert sind. Sie umkreisen die Erde einmal alle 12 Stunden mit einer extrem hohen Geschwindigkeit von etwa 11.200 Kilometern pro Stunde (7.000 Meilen). Die Satelliten sind gleichmäßig verteilt, so dass vier Satelliten von jedem Punkt der Erde aus in direkter Sichtlinie erreichbar sind.

Jeder GPS-Satellit sendet eine Nachricht, die die aktuelle Position, die Umlaufbahn und die genaue Uhrzeit des Satelliten enthält. Ein GPS-Empfänger kombiniert die Übertragungen von mehreren Satelliten, um seine genaue Position mithilfe eines Triangulationsverfahrens zu berechnen. Drei Satelliten sind erforderlich, um den Standort eines Empfängers zu bestimmen, obwohl eine Verbindung zu vier Satelliten ideal ist, da sie eine höhere Genauigkeit bietet.

Damit ein GPS-Gerät korrekt funktioniert, muss es zunächst eine Verbindung zu der erforderlichen Anzahl von Satelliten herstellen. Dieser Vorgang kann je nach Stärke des Empfängers zwischen einigen Sekunden und einigen Minuten dauern. Das GPS-Gerät eines Autos stellt beispielsweise in der Regel schneller eine GPS-Verbindung her als der Empfänger in einer Uhr oder einem Smartphone. Die meisten GPS-Geräte verwenden auch eine Art von Standort-Caching, um die GPS-Erkennung zu beschleunigen. Indem es seinen vorherigen Standort speichert, kann ein GPS-Gerät schnell feststellen, welche Satelliten bei der nächsten Suche nach einem GPS-Signal zur Verfügung stehen werden.

HINWEIS: Da GPS-Empfänger einen relativ ungehinderten Weg zum Weltraum benötigen, ist die GPS-Technologie nicht ideal für die Verwendung in Innenräumen. Daher verwenden Smartphones, Tablets und andere mobile Geräte oft andere Mittel zur Standortbestimmung, z. B. nahe gelegene Mobilfunkmasten und öffentliche Wi-Fi-Signale. Diese Technologie, die manchmal auch als lokales Positionierungssystem (LPS) bezeichnet wird, wird oft als Ergänzung zu GPS verwendet, wenn keine stabile Satellitenverbindung verfügbar ist.

– GPS-Dienste

GPS-Satelliten bieten Dienste für zivile und militärische Nutzer an. Der zivile Dienst steht allen Nutzern weltweit kontinuierlich und kostenlos zur Verfügung. Der militärische Dienst steht den amerikanischen und verbündeten Streitkräften sowie zugelassenen Regierungsstellen zur Verfügung.

Die Zukunft von GPS

Das Global Positioning System-Programm der Regierung war äußerst erfolgreich, und weitere technologische Verbesserungen sind auf dem Weg. Der Erfolg von GPS kann jedoch auch erklären, warum es in Gefahr ist.

Die meisten Menschen kennen das Global Positioning System (GPS) als ein Mittel, um sich auf Reisen zurechtzufinden, aber seine Wirkung geht weit über die Suche nach der besten Route für den Arbeitsweg hinaus. Die Signale von GPS-Satelliten haben Branchen verändert, die Sie bereits kennen, darunter die Luftfahrt, die Schifffahrt und die Meeresnavigation. Aber diese Signale haben auch Branchen verändert, an die man seltener denkt, wie z. B. die Landwirtschaft, die Fertigung und sogar die Raumfahrt.

Das Einzige, was noch bemerkenswerter ist als die GPS-Technologie, ist ihre Allgegenwärtigkeit. Ein GPS-Empfänger befindet sich in fast jedem Mobiltelefon der Welt. Es gibt GPS-Empfänger in Umweltsensoren, in Pipeline-Steuerungen und natürlich in Autos – sogar in vielen Fahrzeugen ohne Navigationssystem. Die Technologie verbessert alles, von der Landwirtschaft über die Verfolgung von Haien bis hin zu Geocaching-Spielen.

Noch cooler ist, dass GPS noch besser werden soll.

Was ist GPS?

Hier erfahren Sie alles, was Sie über GPS wissen müssen und wie es heute eingesetzt wird.

GPS (Global Positioning System) ist ein globales Satellitennavigationssystem, das Ortung, Geschwindigkeit und Zeitsynchronisation ermöglicht.

GPS ist allgegenwärtig. Sie finden GPS-Systeme in Ihrem Auto, Ihrem Smartphone und Ihrer Uhr. GPS hilft Ihnen, Ihr Ziel zu erreichen, von Punkt A nach Punkt B. Was ist GPS? Lesen Sie diesen Artikel, um mehr über die Funktionsweise, die Geschichte und die zukünftigen Fortschritte des Systems zu erfahren.

Was ist GPS und wie funktioniert es?

Das Global Positioning System (GPS) ist ein Navigationssystem, das Satelliten, einen Empfänger und Algorithmen zur Synchronisierung von Orts-, Geschwindigkeits- und Zeitdaten für den Luft-, See- und Landverkehr verwendet.

Das Satellitensystem besteht aus einer Konstellation von 24 Satelliten in sechs erdzentrierten Umlaufbahnen mit jeweils vier Satelliten, die in einer Höhe von 20 000 km (13 000 Meilen) über der Erde kreisen und sich mit einer Geschwindigkeit von 14 000 km/h (8 700 mph) bewegen.

Obwohl wir nur drei Satelliten benötigen, um einen Standort auf der Erdoberfläche zu bestimmen, wird häufig ein vierter Satellit eingesetzt, um die Informationen der anderen drei zu bestätigen. Der vierte Satellit versetzt uns auch in die dritte Dimension und ermöglicht es uns, die Höhe eines Geräts zu berechnen.

Was sind die drei Elemente von GPS?

GPS besteht aus drei verschiedenen Komponenten, den so genannten Segmenten, die zusammenarbeiten, um Standortinformationen zu liefern.

Die drei Segmente von GPS sind:

Weltraum (Satelliten) – Die Satelliten, die die Erde umkreisen und Signale zur geografischen Position und Tageszeit an die Nutzer senden.

Bodenkontrolle – Das Kontrollsegment besteht aus Überwachungsstationen auf der Erde, Hauptkontrollstationen und Bodenantennen. Zu den Kontrolltätigkeiten gehören die Verfolgung und der Betrieb der Satelliten im Weltraum sowie die Überwachung der Übertragungen. Es gibt Überwachungsstationen auf fast allen Kontinenten der Welt, einschließlich Nord- und Südamerika, Afrika, Europa, Asien und Australien.

Nutzergeräte – GPS-Empfänger und -Sender, darunter Geräte wie Uhren, Smartphones und Telematikgeräte.

Wie funktioniert die GPS-Technologie?

GPS funktioniert durch eine Technik namens Trilateration. Die Trilateration wird zur Berechnung von Standort, Geschwindigkeit und Höhe verwendet und sammelt Signale von Satelliten, um Standortinformationen auszugeben. Sie wird oft mit der Triangulation verwechselt, die zur Messung von Winkeln und nicht von Entfernungen verwendet wird.

Satelliten, die die Erde umkreisen, senden Signale, die von einem GPS-Gerät, das sich auf oder nahe der Erdoberfläche befindet, gelesen und interpretiert werden. Um den Standort zu berechnen, muss ein GPS-Gerät die Signale von mindestens vier Satelliten lesen können.

Jeder Satellit des Netzes umkreist die Erde zweimal am Tag, und jeder Satellit sendet ein eindeutiges Signal, Orbitalparameter und die Uhrzeit. Zu einem bestimmten Zeitpunkt kann ein GPS-Gerät die Signale von sechs oder mehr Satelliten empfangen.

Ein einzelner Satellit sendet ein Mikrowellensignal aus, das von einem GPS-Gerät aufgefangen und zur Berechnung der Entfernung zwischen GPS-Gerät und Satellit verwendet wird. Da ein GPS-Gerät nur Informationen über die Entfernung zu einem Satelliten liefert, kann ein einzelner Satellit nicht viele Standortinformationen liefern. Satelliten geben keine Informationen über Winkel ab, so dass der Standort eines GPS-Geräts überall auf der Oberfläche einer Kugel liegen könnte.

Wenn ein Satellit ein Signal sendet, erzeugt er einen Kreis mit einem Radius, der vom GPS-Gerät zum Satelliten gemessen wird.

Wenn wir einen zweiten Satelliten hinzufügen, entsteht ein zweiter Kreis, und der Standort wird auf einen der beiden Punkte eingegrenzt, an denen sich die Kreise schneiden.

Mit einem dritten Satelliten kann der Standort des Geräts endgültig bestimmt werden, da sich das Gerät im Schnittpunkt aller drei Kreise befindet.

Allerdings leben wir in einer dreidimensionalen Welt, was bedeutet, dass jeder Satellit eine Kugel und nicht einen Kreis erzeugt. Der Schnittpunkt von drei Kugeln ergibt zwei Schnittpunkte, also wird der Punkt gewählt, der der Erde am nächsten liegt.

Wenn sich ein Gerät bewegt, ändert sich der Radius (Abstand zum Satelliten). Wenn sich der Radius ändert, werden neue Kugeln erzeugt, die uns eine neue Position liefern. Anhand dieser Daten und der vom Satelliten gelieferten Zeit können wir die Geschwindigkeit bestimmen, die Entfernung zum Zielort berechnen und die voraussichtliche Ankunftszeit ermitteln.

Wozu dient das GPS?

GPS ist ein leistungsstarkes und zuverlässiges Instrument für Unternehmen und Organisationen in vielen verschiedenen Branchen. Vermessungsingenieure, Wissenschaftler, Piloten, Schiffskapitäne, Rettungskräfte und Arbeiter im Bergbau und in der Landwirtschaft sind nur einige der Menschen, die GPS täglich für ihre Arbeit nutzen. Sie nutzen GPS-Informationen für die Erstellung genauer Vermessungen und Karten, für präzise Zeitmessungen, für die Verfolgung von Positionen und Standorten und für die Navigation. GPS funktioniert zu jeder Zeit und unter fast allen Wetterbedingungen.

GPS-Glossar

Die folgenden Glossareinträge stammen aus der EPA Veröffentlichung GIS Technical Memorandum 3: Global Positioning Systems Technology and its Applications in Environmental Programs (EPA/600/R-92/036, Februar 1992), GPS: A Guide to the Next Utility von Jeff Hurn (1989) und von Mitarbeitern des CGRER.

– Absolute Positionierung

Positionierungsmodus, bei dem eine Position in Bezug auf ein genau definiertes Koordinatensystem identifiziert wird, üblicherweise ein geozentrisches System (d. h. ein System, dessen Ursprungspunkt mit dem Massenzentrum der Erde übereinstimmt).

– Almanach

Eine Datendatei, die Bahninformationen zu allen Satelliten, Uhrenkorrekturen und atmosphärische Verzögerungsparameter enthält. Er wird von einem GPS-Satelliten an einen GPS-Empfänger übertragen, wo er eine schnelle Erfassung des Satellitenfahrzeugs durch GPS-Empfänger ermöglicht.

– Überall fix

Die Fähigkeit eines Empfängers, Positionsberechnungen zu starten, ohne dass ein ungefährer Standort und eine ungefähre Zeit angegeben werden.

– Attribut

Ein Wert, der ein Merkmal beschreibt. Features können null bis viele Attribute haben. Die Attribute für Merkmale werden im Datenwörterbuch beschrieben. Die Werte für die Attribute werden bei der Erfassung der Daten eingegeben. Ein Beispiel für ein Attribut wäre der Name eines Gebäudes oder die Höhe eines Baumes.

– Verfügbarkeit

Die Anzahl der Stunden pro Tag, in denen ein bestimmter Standort über genügend Satelliten verfügt (über dem angegebenen Höhenwinkel und unter dem angegebenen PDOP-Wert), um eine GPS-Positionsbestimmung vorzunehmen.

Basislinie

Eine Basislinie besteht aus einem Paar von Stationen, für die gleichzeitig GPS-Daten gesammelt wurden.

– Basisstation

Wird auch als Referenzstation bezeichnet. Ein Empfänger, der an einem bekannten Ort aufgestellt wird, um Daten für die differentielle Korrektur von Rover-Dateien zu sammeln. Die Basisstation berechnet den Fehler für jeden Satelliten und verbessert durch die differentielle Korrektur die Genauigkeit der GPS-Positionen, die von einem Rover-GPS-Empfänger an unbekannten Orten erfasst wurden.

Datei der Basisstation

Die von der Basisstation erstellte Datendatei. Basisstationsdateien folgen einem Namensschema: A7-Monat-Tag-Stunde.SSF, z. B. A7110413.SSF für eine Datei, die am 4. November zur Stunde 13:00 (GMT) erstellt wurde. Die Basisstation schreibt jedes Mal eine neue Datei, wenn sich die Uhrzeit ändert. Liegt ein Fehler in einer Datei vor oder hat die Station einen Fehler beim Schreiben der Datei, hat die neue Datei für diese Stunde die Erweiterung .001.

C/A-Code

Der Standard-GPS-Code (Course/Acquisition); auch bekannt als “ziviler Code” oder S-Code.

– Träger

Eine Funkwelle mit mindestens einem Merkmal (z. B. Frequenz, Amplitude, Phase), die durch Modulation von einem bekannten Referenzwert abweicht.

Trägergestützte Verfolgung

Eine Signalverarbeitungsstrategie, die das GPS-Trägersignal nutzt, um eine exakte Verfolgung des Pseudozufallscodes zu erreichen. Sie ist genauer als der Standardansatz.

Trägerüberlagerungsphase

Die Phase des Signals, die verbleibt, wenn das ankommende dopplerverschobene Satellitenträgersignal mit der vom Empfänger erzeugten nominell konstanten Referenzfrequenz geschlagen wird (das Differenzfrequenzsignal wird erzeugt).

Trägerfrequenz

Die Frequenz des unmodulierten Grundwellenausgangs eines Radiotransistors.

– Kanal

Ein Kanal eines GPS-Empfängers besteht aus der Funkfrequenz, den Schaltkreisen und der Software, die zur Abstimmung des Signals eines GPS-Satelliten erforderlich sind.

– Vorspannung der Uhr

Die Differenz zwischen der angezeigten Zeit der Uhr und der wahren Weltzeit.

– Code-Phasen-GPS

GPS-Messungen, die auf dem C/A-Code basieren.

– Konstante Abweichung

In manchen Fällen ist es nicht möglich, GPS-Signale zu empfangen, während Sie ein gewünschtes Merkmal kartieren. Es kann ein konstanter Offset konfiguriert werden, der es Ihnen ermöglicht, sich in einem gewissen Abstand zum Objekt zu befinden und dennoch die Position des Objekts aufzuzeichnen.

– Konstellation

Bezieht sich entweder auf die spezifische Gruppe von Satelliten, die für die Berechnung von Positionen verwendet werden, oder auf alle Satelliten, die für einen GPS-Empfänger zu einem bestimmten Zeitpunkt sichtbar sind.

– Kontrollsegment

Ein weltweites Netz von GPS-Überwachungs- und Kontrollstationen, die die Genauigkeit der Satellitenpositionen und ihrer Uhren sicherstellen.

– Koordinatensystem

Welches Kartierungssystem zur Darstellung von Positionen verwendet wird. Einige Beispiele sind Breitengrad/Längengrad und Staatsebene. Der Datenlogger verwendet standardmäßig Breitengrad/Längengrad. Sie können Ihre Daten mit PFinder in das gewünschte Koordinatensystem umwandeln.

– Zyklusschlupf

Eine Diskontinuität einer größeren Anzahl von Zyklen in der gemessenen Trägerüberlagerungsphase, die durch einen vorübergehenden Verlust der Verriegelung in der Trägerverfolgungsschleife eines GPS-Empfängers entsteht.

– Datenwörterbuch

Definiert die Felder, die Sie während der Datenerfassung mit dem GPS-Gerät ausfüllen werden. Dies ist vergleichbar mit der Beschreibung der Felder in einem Datensatz für ein Datenbankprogramm.

– Datenlogger

Auch Datenrekorder genannt. Ein tragbarer, leichter Dateneingabecomputer. Er kann verwendet werden, um zusätzliche Daten zu speichern, die mit einem GPS-Empfänger erfasst wurden.

– Daten-Nachricht

Eine 1500-Bit-Nachricht, die im GPS-Signal enthalten ist und den Standort des Satelliten, Uhrenkorrekturen und den Zustand des Satelliten meldet.

– Datum

Der technologische Wandel hat im Laufe der Zeit zu unterschiedlichen Werten für dieselben geografischen Punkte geführt. Das Datum bezieht sich auf den Standard, den Sie für bekannte Punkte verwenden. Wenn Sie Ihre gesammelten Daten mit bereits vorhandenen Daten verwenden wollen, müssen Sie das Datum und die Koordinatensysteme aufeinander abstimmen. Einige Beispiele für Bezugssysteme sind NAD-27 und WGS-84 (North American Datum 1927, World Geodetic System 1984).

– Differentialkorrektur

Gleichzeitige Verwendung von GPS-Positionen, die von einer Basisstation (an einer bekannten Position) erfasst wurden, oder von RTCM-Übertragungen, um die Genauigkeit der Positionsdaten zu erhöhen.