GPS

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GPS Global Positioning System Dortmund, Juli 2001

Quelle: Projektarbeit GPS von Mario Joseph und Christian Marquardt SS 2001

„Ich bin peilbar, also bin ich“ Die Zeit der Orientierungslosigkeit ist vorbei! Prof. Dr. Heinz-Michael Winkels, FH-Dortmund GPS.ppt/HMW/31.07.2001

Prof. Dr. Heinz-Michael Winkels, Fachbereich Wirtschaft FH Dortmund Emil-Figge-Str. 44, D44227-Dortmund, TEL.: (0231)755-4966, FAX: (0231)755-4902

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Inhalt

Seite

Einordnung:

- Was kann GPS?

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Geschichte:

- Woher kommt GPS?

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Die Kosten:

- Wer bezahlt GPS?

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Wer kontrolliert das GPS-System?

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Wie funktioniert GPS?

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Das Differenzial GPS Die verschiedenen GPS Signalarten Empfangsbeeinträchtigungen

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Geplantes europäisches Satellitennavigationssystem

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Anwendungsmöglichkeiten

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Inhalt

Seite

Ausgewählte Anwendungsmöglichkeiten -heute

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Ausgewählte Anwendungsmöglichkeiten -nahe Zukunft 37 Ausgewählte Anwendungsmöglichkeiten -Visionen

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Das Jahr 2019 Problem von GPS

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GPS gehört die Zukunft

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Quellenverzeichnis

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Einordnung: - Was kann GPS?

➠GPS – Global Positioning System kann Antworten auf die folgende Fragen geben:


Wo befinde ich mich genau? – Angabe in 3D möglich, also auch Höhenlage


Mit welcher Geschwindigkeit bewege ich mich fort? – – – –

Zu Fuß Mit dem Auto Mit dem Flugzeug Mit dem Schiff


Welche Zeit benötige ich für eine Strecke von A nach B? – Ergibt sich durch die Geschwindigkeit und einer Streckenmessung

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Geschichte:

- Woher kommt GPS?

➠ Die Wurzeln von GPS liegen im militärischen Bereich
Die USA wollte im Zuge ihres Weltraumrüstungsprogramms SDI (Strategic Defense Initiative) eine weltweite Lösung der Navigationsprobleme – Sie wollte weltweit ohne bodengestützte Navigationssysteme militärische Aktionen durchführen ❏ Echtzeitpositionierung militärischer Fahrzeuge zu Wasser, auf dem Lande und in der Luft ❏ Steuerung von Lenkwaffen

– Dieses System sollte ❏ unerreichbar für jeden potenziellen Feind sein ❏ unstörbar sein ❏ zentral steuerbar sein

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Geschichte: - Woher kommt GPS?

➠ Entstehungsgeschichte / Die Vorgänger von GPS
Die Idee entstand schon im 2. Weltkrieg – Bessere Navigation über Feindesland – Bessere Navigation bei Nacht


Entwicklung von hochentwickelten Systemen – Basierend auf Radiosignalen

Nachteile: – – – –

Anfällig gegen Störungen Sendete selbst Signale aus (Ortung möglich) Ungenaue Messungen der Position Große Geräte nötig


TRANSIT –System (USA) – Satelliten Navigationssystem in den 60er Jahren entwickelt – Entwickelt von der US-Navy Prof. Dr. Heinz-Michael Winkels, FH-Dortmund GPS.ppt/HMW/31.07.2001

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Geschichte

- Woher kommt GPS?

➠ Entstehungsgeschichte / Die Vorgänger von GPS Nachteile: – – – –

Exakte Messungen nur über längere Messdauer möglich Global sehr schlechte Abdeckung mit Satelliten Exaktes Signal nur alle 30 -110 Minuten möglich Zwischenräume mussten durch Interpolation errechnet werden


NAVSTAR GPS (USA)
NAVigation Satellite Time And Range Global Positioning System – Weiterentwicklung von Transit ca. 1973 – Erster Satellit 27.06.1977 (sog. Block I Satellit) – 1989/90 sollte das GPS-System voll einsatzfähig sein, aber Verzögerung: ❏ Durch technische Probleme (u.a. Challenger Absturz) ❏ Durch unerwartet hohen finanziellen Aufwand – 1990 war allerdings Navigation auf See aufgrund fehlender topographischer Hindernisse möglich – Bedingte Betriebsbereitschaft 1994 – Offiziell endgültige Funktionsfähigkeit 17.Juli 1995 – Zur Funktionsfähigkeit war eine globale Abdeckung mit 23 Satelliten nötig – Hinzu kamen zunächst 3 aktive Reservesatelliten – Zur Verbesserung der Qualität bzw. Genauigkeit wurden weitere Satelliten hinzugefügt ❏ Bis 1996 hat sich die Zahl der „benutzten“ Satelliten auf 26 erhöht + 3 Reserve ❏ Heute sind es 26 aktive Satelliten (sog. Block II) + 8 Reserve (sog. Block IIa) Prof. Dr. Heinz-Michael Winkels, FH-Dortmund GPS.ppt/HMW/31.07.2001

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Geschichte

- Woher kommt GPS?

➠ Parallelentwicklungen anderer Nationen
Russland (bzw. ehemalige Sowjetunion) – TSIKADA-System ❏ Äquivalente Entwicklung zu Transit (USA) – GLONASS-System (GLObal NAvigation Satelite System) ❏ Äquivalente Entwicklung zu NAVSTAR GPS


EUROPA (EU) – bisher kein eigenständiges System – GALILEO (Einsatz für 2007 / 2008 geplant) ❏ Nach eigenen Angaben GPS überlegen

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Die Kosten

- Wer bezahlt GPS?

➠ Die Benutzung von GPS ist weltweit (noch) kostenlos
Die geschätzten Entwicklungskosten liegen bei 10 Milliarden €
Die geschätzten jährlichen Unterhaltskosten liegen bei 300 Millionen €
Die Kosten werden nach Beschluss der amerikanischen Abgeordneten von dem „Department of Defense“ (USA) getragen Gründe: – Ein so teures System sollte einem breiten Nutzerkreis zugänglich gemacht werden ❏ Deshalb wurde schon früh eine zivile Nutzung eingeplant (1984) – Die US-GPS Industrie profitiert von dieser Technik ❏ Jahresumsatz der GPS Industrie 8 Mrd. US$ (Quelle Spiegel 19/2000)


Bei einem eventuellen Nachfolge- bzw. Ergänzungssystem ist unklar, wer die Kosten trägt Prof. Dr. Heinz-Michael Winkels, FH-Dortmund GPS.ppt/HMW/31.07.2001

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Wer kontrolliert das GPS-System?

➠ Die Kontrolle liegt in der Hand der USA
Zentrale Kontrolle von der „Master Control Station“ in Colorado Springs
Hinzu kommen Beobachtungsstationen auf der ganzen Welt, mit denen die Satelliten überwacht werden
Die „Master Control Station“ ist der Regierung der Vereinigten Staaten bzw. dem Verteidigungsministerium (DOD) unterstellt
Die USA behält sich vor in Krisensituationen die private Nutzung in ihrer Genauigkeit zu verfälschen oder gänzlich abzuschalten – Um Terroristenanschläge mit GPS-Unterstützung zu vermeiden – Dem „Feind“ nicht indirekt durch GPS Anwendungen zu helfen – Selbst einen taktischen Vorteil zu erlangen


Diese vollständige Kontrolle ist ein Unsicherheitsfaktor, die viele Anwender und Unternehmen verunsichert. Aus diesem Grund hat Ex-Präsident Clinton garantiert, das System nicht ohne Vorwarnung abzuschalten oder zu verfälschen.

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Wie funktioniert GPS?

➠ Der GPS Aufbau lässt sich logisch in 3 Segmente unterteilen
Raumsegment (Satelliten)
Bodensegment (Kontrollsegment)
Nutzersegment (Empfänger)

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Wie funktioniert GPS?

➠ Das Raumsegment (Die Satelliten)
Die Satelliten umkreisen die Erde in einer Höhe von 20183 km Höhe
Die Umlaufbahn bilden 6 Orbitalebenen – Die Orbitalebenen stehen in einem 55° Winkel zueinander, ausgehend von der Erdäquatorebene


Auf jeder Orbitalebene sind mindestens 4 Satelliten positioniert – Diese sind gegeneinander um 60° geneigt


Die Umlaufzeit eines Satelliten um die Erde beträgt 12 Stunden
Durchschnittlich sind 10 Satelliten oberhalb der 10° Beobachtungshöhe (Mindesthöhe über dem Horizont) sichtbar (sog. quasioptische Sichtverbindung)
Die Lebensdauer eines Satelliten beträgt ca. 8 Jahre – Alle Block I Satelliten sind aus diesem Grund bereits abgeschaltet oder ausgefallen


Ein Satellit wiegt ca. 845 kg Prof. Dr. Heinz-Michael Winkels, FH-Dortmund GPS.ppt/HMW/31.07.2001

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Wie funktioniert GPS?

GPS Satellitennetz

➠ Das Raumsegment (Die Satelliten)
Jeder Satellit trägt: – – – – – –

Ein Radio-Transceiver Hochpräzise Cäsium/Rubidium Atomuhr Diverse Mikroprozessoren Steuerequipment Antriebsystem zur automatischen Lagekorrektur Solarflügel als Stromversorgung


Die primäre Aufgabe der Satelliten besteht im Senden von Signalen, die mit dem Bodensegment (Empfänger) empfangen werden können
Die Ortung basiert auf der Laufzeitmessung der Funksignale von mindestens vier der NAVSTAR Satelliten
Die Atomuhr ermöglicht es, genaue Positionskoordinaten zu senden
Für die 3D-Positionsbestimmung werden drei Satelliten gebraucht, der vierte ist für die Zeitanpassung des Quarzoszillators zuständig Prof. Dr. Heinz-Michael Winkels, FH-Dortmund GPS.ppt/HMW/31.07.2001

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Wie funktioniert GPS?

➠ Das Raumsegment (Die Satelliten)
Jeder Satellit sendet auf zwei Frequenzen Signale aus
Die Signale befinden sich im L-Band Bereich – Das 1. Signal wird mit L1 bezeichnet (1575,42 MHz) – Das 2. Signal wird mit L2 bezeichnet (1227,60 MHz)


Diese Signale werden als PRN Signale bezeichnet – Jeder Satellit lässt sich so identifizieren – Die Signale sind codiert

Standortbestimmung mit Hilfe von Satelliten, hier mit der Minimalanzahl von 3 Satelliten


Sie enthalten: – – – – –

Exakte Sendezeit Informationen über die Genauigkeit der Satellitenuhr Den Umrechnungskoeffizienten zwischen Satellitenzeit und UTC (Weltzeit = Universal Time Coordinated) Korrekturdaten Orbitalinformationen (Almanach und Ephemeriden)


Sie werden auf Trägerfrequenzen aufgeprägt und mit geringer Leistung abgestrahlt
Sobald der Empfänger 4 Satellitensignale empfängt, kann die Standortbestimmung beginnen Prof. Dr. Heinz-Michael Winkels, FH-Dortmund GPS.ppt/HMW/31.07.2001

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Wie funktioniert GPS?

➠ Das Bodensegment (Kontrollsegment)
Aufgaben des Bodensegments – – – –

Kontrolle des Gesamtsystems Datenverarbeitung und Datenübermittlung Bestimmung der Systemzeit (Atomuhr) Vorausberechnung der Navigationsdaten bzw.

Steuerung der Satelliten


Es gibt unterschiedliche Arten von Bodenstationen – Das operationelle Kontrollsegment (OCS) bestehend aus der Master Control Station in Colorado Springs – 3 Monitorstationen mit Bodenantennen in Diego Carcia, Asension und Kwajalein – Sowie 2 Monitorstationen in Colorado und Hawaii


Die Monitorstationen empfangen die Satellitensignale und berechnen Entfernungsdaten
Die Entfernungsdaten werden an die Master Station weitergeleitet Prof. Dr. Heinz-Michael Winkels, FH-Dortmund GPS.ppt/HMW/31.07.2001

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Wie funktioniert GPS?

➠ Das Bodensegment (Kontrollsegment)
Abweichungen werden gegebenenfalls ermittelt
Eventuelle Bahnkorrekturen werden von der Master Station (Hauptkontrollstation) eingeleitet
Die Korrekturen werden über die Bodenantennen der Monitorstationen an den Satelliten zurückgesendet
Die korrigierten Daten sowie alle notwendigen Daten zur Positionsbestimmung werden an die Erde (den Empfängern) übermittelt

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Wie funktioniert GPS?

➠ Das Nutzersegment (Empfänger)
Die Erfassung von Satellitensignalen erfolgt durch den Empfänger bzw. dessen Kanäle
Jeder Empfänger besteht aus den Komponenten: – – – – – –

Antenne Vorverstärker Hochfrequenzeinheit Mikroprozessor Datenspeicher Stromversorgung


Die Erfassung der Signale erfolgt durch die Antenne und wird als Akquisition bezeichnet
Die Daten werden in den Vorverstärker geleitet und von dort zur Hochfrequenzeinheit
Die Hochfrequenzeinheit ist die eigentliche Empfangseinheit, die die Signale identifiziert und verarbeitet
Der Mikroprozessor steuert die Empfangseinheit und führt die Navigationsberechnungen durch
Die Anzahl der Kanäle ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal von Empfängern Prof. Dr. Heinz-Michael Winkels, FH-Dortmund GPS.ppt/HMW/31.07.2001

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Wie funktioniert GPS?

➠ Das Nutzersegment (Empfänger)
Für eine richtige 3D Ortsbestimmung reicht ein Empfänger mit 4 Kanälen aus – Jeder Kanal kann einen Satelliten orten und die Signale Empfangen


Die Bahndaten der Satelliten sind in jedem Gerät in einem sog. Almanach gespeichert – Die Almanach-Daten werden laufend von den Satelliten gesendet – Die neuen Daten werden im Empfänger gespeichert – Alte Empfangsgeräte korrigieren ihren Almanach nur in gewissen Zeitabständen ❏ Ungenauigkeiten in der Ortsbestimmung sind die Folge


Beim Einschalten des Empfängers sucht dieser, ausgehend von der letzten bekannten Position, nach den Satelliten im Orbit – Dies kann unter Umständen länger dauern, vor allem, wenn das Gerät länger ausgeschaltet war


Der Empfänger erzeugt, basierend auf den Almanachdaten, ein Signal gleicher Kennung und synchronisiert dies mit den empfangenen Daten

Moderner Mehrkanalempfänger (9 Kanäle) der Firma Trimble

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Wie funktioniert GPS?

➠ Das Nutzersegment (Empfänger)
Empfänger mit mehr als 4 Kanälen haben viele Vorteile: – Sie haben freie Kanäle zur Verfügung, um während einer Positionsbestimmung nach besser gelegenen Satelliten zu suchen – Sie sind genauer, da immer die optimalen Satelliten zum Einsatz kommen – Sie sind schneller, da sie auch bei Richtungsänderungen Kontakt zu mindestens 4 Satelliten halten können


Moderne Empfänger verfügen über 8 oder sogar 12 Kanäle (sog. Mehrkanalempfänger)
Günstigster Empfangsfall sind weit auseinanderliegende Satelliten – Ideal zum Beispiel je ein Satellit im Norden, Süden, Westen und Osten


Für Handheld GPS gibt es sogenannte Einkanal-Empfänger (sog. Multiplexempfänger) – Diese Geräte arbeiten mit einem Kanal, der schnell (im Millisekundentakt) zwischen mehreren Satelliten springt – Nur für Anwendungen mit geringer Dynamik ausreichend


Es kommt bei der Wahl des Empfängers nicht nur auf die Anzahl der Kanäle an Prof. Dr. Heinz-Michael Winkels, FH-Dortmund GPS.ppt/HMW/31.07.2001

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Wie funktioniert GPS?

➠ Das Nutzersegment (Empfänger)
Für die Berechnung der Laufzeit der Satellitensignale ist die genaue Zeit von großer Bedeutung
Deshalb spielt die Qualität (Genauigkeit) der Uhr des Empfängers eine wichtige Rolle – Empfänger verfügen über einen Quarzoszillator – Atomuhren werden aus Kostengründen nicht eingesetzt


Die Zeitschwankungen zwischen der Atomuhr des Satelliten und der Quarzuhr des Empfängers wird „offset“ oder „bias“ genannt
Der Offset verursacht eine fehlerhafte Verschiebung in der Distanzmessung
Diese Unterschiede werden mit Hilfe des 4 Satelliten weitestgehend korrigiert

Modernes Hand-GPS integrierter Navigationssoftware Firma GARMIN

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Das Differential GPS (DGPS)

➠ Entwickelt um die Genauigkeit von GPS zu verbessern
Um die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu erhöhen, werden zu den Satellitensignalen noch zusätzlich Korrekturdaten benötigt
Diese Korrekturdaten werden von einer Referenzstation erzeugt
Referenzstationen sind an genau vermessenen Punkten angesiedelt und führen einen Soll/Ist Abgleich durch

Korrekturdatenübermittlung für die Seefahrt


Der Empfänger muss für das DGPS Verfahren geeignet sein, um die Daten im RTCM-Format (Radio Technical Commission for Maritime Services) zu empfangen Prof. Dr. Heinz-Michael Winkels, FH-Dortmund GPS.ppt/HMW/31.07.2001

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Das Differential GPS (DGPS)

Netz der Referenzstationen an der Küste Europas zur besseren Schiffsnavigation


Die Daten werden via Langwelle, RDS oder Mobilfunk (GSM) verbreitet
Dieses Verfahren ist eigentlich zur Kompensation des S/A-Codes entwickelt worden, erfüllt aber auch nach Abschaltung noch seinen Zweck
Die Genauigkeit von DGPS hängt von der Entfernung zum Korrektursender, sowie von der Signalqualität ab
Seit 1997 betreibt das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) einen bundesweit zu empfangenden Langwellensender – Abkürzung ALF (Accurate Positioning by Low Frequency) – Standort Mainflingen nahe Frankfurt a.M.

Zuverlässiger DGPS Empfang in Deutschland Prof. Dr. Heinz-Michael Winkels, FH-Dortmund

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Die verschiedenen GPS Signalarten

➠ Übersicht

GPS-Signale

P-Code

DGPS

C/A-Code

GPS

S/A-Code

DGPS

ohne S/A-Code

GPS

DGPS

GPS

C/A-Code:= ziviles Signal (Coarse Acquisition) P-Code:= militärisches Signal (Precision Code) S/A-Code:= Verfälschungssignal (Selective Availability) DGPS:= Signal-Verbesserungstechnik (Differential-GPS) GPS.ppt/HMW/31.07.2001

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Die verschiedenen GPS Signalarten

➠ Der C/A-Code (Coarse Acquisition)
Zur zivilen Nutzung freigegebenes Signal
Weltweit (noch) freie Verfügbarkeit – Kann mit frei käuflichen Geräten empfangen werden


Nicht so genaue Positionsbestimmung wie beim rein militärischen P-Code – Im Idealfall Genauigkeit im Dezimeterbereich


Der C/A-Code wird über die L1 Trägerwelle übermittelt

C/A-Code

Genauigkeiten Des C/A-Codes

DGPS < 1m

S/A-Code

GPS < 100m

ohne S/A-Code

DGPS dm-Bereich

GPS < 20m Prof. Dr. Heinz-Michael Winkels, FH-Dortmund

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Die verschiedenen GPS Signalarten

➠ Der P-Code (hochauflösender Präzisionscode)
Nur für den US-Militärbereich zugänglich – Kann nur mit militärischen Spezialempfängern empfangen werden


Sehr präzise Ortsbestimmung möglich – Auch ohne DGPS < 50cm


Wird nicht von dem S/A Verfälschungssignal beeinflusst
Wird sowohl über die L1, als auch über die L2 Trägerwelle übermittelt
Der P-Code wird verschlüsselt gesendet – Die Verschlüsselungstechnik wird als A-S (Anti-Spoofing) bezeichnet – Der verschlüsselte P-Code wird auch Y-Code genannt

P-Code

Genauigkeiten des P-Codes DGPS