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

Wie GPS funktioniert

GPS ist so allgegenwärtig, weil das Konzept so einfach ist. Jeder GPS-Satellit ist im Wesentlichen eine extrem genaue Uhr, die die genaue Zeit an ihrem Standort überträgt. Die Satelliten geben auch die Position aller anderen GPS-Satelliten in der Umlaufbahn an. Sobald der GPS-Empfänger den Standort des Satelliten und die Uhrzeit kennt, kann er die genaue Entfernung zum Satelliten ermitteln. Wenn ein Empfänger die Zeit von mindestens drei Satelliten vergleichen kann, ist er in der Lage, seine eigene Position auf der Erdoberfläche zu bestimmen.

Je mehr Satelliten, desto besser die Genauigkeit. Wenn mindestens vier Satelliten zur Verfügung stehen, kann der GPS-Empfänger seine eigene Höhe über der Erdoberfläche bestimmen. Dazu vergleicht er die Zeiten, zu denen das Zeitsignal die einzelnen Satelliten verlassen hat, und kann anhand dieser Zeiten die Entfernung bestimmen, da sich die Signale mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.Die derzeitige GPS-Technologie kann Standorte mit einer Genauigkeit von etwa einem Meter bestimmen. Die Genauigkeit wird durch Schwankungen der Lichtgeschwindigkeit aufgrund von Veränderungen der Luftdichte und durch Interferenzen mit der Ionosphäre der Erde begrenzt.

Diese Einschränkungen werden sich ändern, wenn eine neue Runde von GPS-Satelliten, bekannt als GPS III, ihren Platz in der GPS-Konstellation einnehmen wird.

– Auf, auf und davon

Die neuen GPS-Satelliten haben gerade erst begonnen, ihre Plätze einzunehmen. Der erste Start erfolgte als Nutzlast an Bord einer SpaceX Falcon 9-Rakete am 23. Dezember 2018. Die GPS-III-Satelliten werden noch bis etwa 2025 gestartet werden.

Die neuen GPS-Satelliten können aufgrund neuer Atomuhren an Bord jedes Satelliten eine bessere Positionsgenauigkeit bieten. Da sie über eine höhere Sendeleistung verfügen, ist der GPS-Empfang zuverlässiger, selbst in Gebäuden und in dicht besiedelten Gebieten. Darüber hinaus sind die Signale resistenter gegen Störungen. Zu den weiteren Verbesserungen gehören die ersten Anpassungen, die den Einsatz von GPS in der Weltraumnavigation verbessern.

Ja, Weltraumnavigation.

– Fallbeispiel Weltraum

GPS wurde zwar für die terrestrische Navigation entwickelt, aber es hat sich herausgestellt, dass dieselben GPS-Signale auch von Raumfahrzeugen genutzt werden können, die sich auf dem Mond und auf dem frühen Transit zum und vom Mars befinden.

Während die GPS-Signale direkt auf die Erde gestrahlt werden, entweichen einige dieser Funksignale in den Weltraum. “Wir leben von den Überbleibseln”, sagt Frank Bauer, pensionierter Abteilungsleiter für Weltraumnavigation bei der NASA. “Wir leben von den Überläufen des Hauptstrahls und den Nebenkeulen.” Bauer arbeitet noch immer als Berater für die NASA.

Bauers Team hat herausgefunden, wie man diese “Überbleibsel” nutzen kann. “Wir haben einen speziellen GPS-Empfänger entwickelt”, sagt Bauer und erklärt, dass ein Standard-GPS-Empfänger im Weltraum nicht funktionieren würde. Die NASA verwendet GPS im Weltraum derzeit für die Steuerung des Andockens von Nutzlasten für die Internationale Raumstation, für die genaue Positionierung der GOES-Wettersatelliten sowie für eine Reihe von wissenschaftlichen Satelliten.

“Die NASA hat bereits bewiesen, dass man GPS auf halbem Weg zum Mond einsetzen kann”, sagt Bauer und fügt hinzu, dass die NASA bereits an Empfängern und Antennen für den Einsatz auf und um den Mond arbeitet. “Wir arbeiten mit den Leuten vom Johnson Space Center an Möglichkeiten für das Lunar Gateway”, fügt er hinzu.

Die NASA arbeitet auch an der internationalen Kompatibilität von Ortungssatelliten. Durch ein Komitee der Vereinten Nationen wurden gemeinsame Definitionen für Signale von Positionierungssatelliten aus den USA, Europa, Russland, China, Japan und Indien entwickelt. “Wir versuchen, sie alle für den Einsatz im Weltraum interoperabel zu machen”, sagt Bauer.

Sobald die Interoperabilität erreicht ist, werden die Empfänger tatsächlich Zugang zu allen Ortungssatelliten haben, was wiederum zu einer höheren Genauigkeit führen wird. Das Ergebnis: Wo früher eine Genauigkeit von einem Meter möglich war, wird es jetzt weniger als das sein. Sie könnten Ihre Position bis auf wenige Zentimeter genau kennen.

Darüber hinaus werden die neuen Signale der GPS-III-Satelliten für mehr Genauigkeit sorgen, indem sie den Nutzern mehr Positionssignale und Signale mit höherer Genauigkeit zur Verfügung stellen.

– GPS in Gefahr

Doch bevor dies geschehen kann, muss ein neues Bodenkontrollsystem namens OCX voll einsatzfähig sein, und das wird nicht vor irgendwann im Jahr 2021 der Fall sein.

Verzögerungen beim Betriebskontrollsystem sind nur eines der vielen Risiken, die das Versprechen des GPS gefährden. Es besteht auch die Möglichkeit, dass GPS durch Cyberangriffe, ausländische Regierungen oder sogar durch bürokratische Querelen außer Betrieb gesetzt wird.

“Akquisitionen neigen dazu, ziemlich unruhig zu sein”, sagt Cristina Chaplain, Direktorin für Vertragsabschlüsse und nationale Sicherheitsakquisitionen beim U.S. Government Accountability Office. Chaplain beaufsichtigt das GPS-Programm für den US-Kongress. Es gibt Managementprobleme und Verzögerungen bei der Herstellung der Satelliten, sagt sie. Außerdem muss die US-Luftwaffe in der Lage sein, eine Mindestanzahl von Satelliten zu unterhalten, und sich bei der Planung von Anschaffungen darauf verlassen, dass die Satelliten ihre Lebensdauer überdauern.

Aber es gibt auch noch einen zweiten Bereich, der Anlass zur Sorge gibt. “Der zweite Bereich ist, dass der Weltraum zu einem gefährlichen Ort wird”, sagt Chaplain. Andere Länder könnten versuchen, GPS-Satelliten zu beschädigen oder zu zerstören. Sowohl Indien als auch China haben bereits bewiesen, dass sie in der Lage sind, Satelliten in der Umlaufbahn auszuschalten, sagt sie.

Eine noch unmittelbarere Bedrohung ist jedoch das Stören von GPS-Signalen, wofür kein Angriff durch eine andere Regierung erforderlich ist, so Chaplain. Tatsächlich wurden kürzlich Flüge am Flughafen Newark unterbrochen, als Lastwagenfahrer auf dem New Jersey Turnpike handelsübliche GPS-Störsender einsetzten, um die GPS-Empfänger zu verwirren, mit denen sie ihre Fahrzeuge verfolgen.

Chaplain sagt, dass die Antistörungsfunktionen der GPS-III-Satelliten dem Militär zur Verfügung stehen werden, sobald das OCX-Bodenkontrollsystem betriebsbereit ist. Sie geht jedoch davon aus, dass es noch ein Jahrzehnt dauern wird, bis dies Realität wird, da die entsprechenden Empfänger noch auf Hunderten von Waffenplattformen installiert werden müssen. “Es gibt noch andere Dinge, die man im Weltraum einsetzen kann und die die Daten oder die Satelliten stören”, sagt Chaplain. “Es ist eine ernstzunehmende Bedrohung für das Verteidigungsministerium, um daran zu arbeiten.” (Anmerkung: Der Entstörungsmechanismus ist für militärische Zwecke bestimmt).