Bodenstationen

GPS oder Global Positioning System ist ein Satellitennavigationssystem, das dem Benutzer unter allen klimatischen Bedingungen Orts- und Zeitinformationen zur Verfügung stellt. GPS wird auch zur Navigation in Flugzeugen, Schiffen, Autos und Lastwagen verwendet. Das System gibt militärischen und zivilen Nutzern auf der ganzen Welt entscheidende Fähigkeiten an die Hand. GPS bietet eine kontinuierliche, 3-dimensionale Echtzeit-Positionierung, Navigation und Zeitmessung weltweit.

Das GPS besteht aus drei Segmenten:

1) Das Raumsegment: die GPS-Satelliten

2) Das Kontrollsystem, das vom US-Militär betrieben wird,

3) Das Nutzersegment, das sowohl militärische als auch zivile Nutzer und ihre GPS-Ausrüstung umfasst.

Raumsegment:

Das Raumsegment ist die Anzahl der Satelliten in der Konstellation. Es besteht aus 29 Satelliten, die die Erde alle 12 Stunden in einer Höhe von 12.000 Meilen umkreisen. Die Funktion des Raumsegments wird genutzt, um Routen-/Navigationssignale zu leiten und die vom Kontrollsegment gesendete Routen-/Navigationsnachricht zu speichern und weiterzuleiten. Diese Übertragungen werden durch hochstabile Atomuhren auf den Satelliten gesteuert. Das GPS-Raumsegment besteht aus einer Satellitenkonstellation mit einer ausreichenden Anzahl von Satelliten, um sicherzustellen, dass die Benutzer zu jeder Zeit von jedem Punkt der Erdoberfläche aus mindestens 4 Satelliten gleichzeitig im Blickfeld haben.

Kontrollsegment:

Das Kontrollsegment besteht aus einer Hauptkontrollstation und fünf mit Atomuhren ausgestatteten Überwachungsstationen, die rund um den Globus verteilt sind. Die fünf Überwachungsstationen überwachen die Signale der GPS-Satelliten und senden diese qualifizierten Informationen dann an die Hauptkontrollstation, wo Anomalien korrigiert und über Bodenantennen an die GPS-Satelliten zurückgesendet werden. Das Kontrollsegment wird auch als Überwachungsstation bezeichnet.

Benutzersegment:

Das Benutzersegment besteht aus dem GPS-Empfänger, der die Signale von den GPS-Satelliten empfängt und bestimmt, wie weit er von den einzelnen Satelliten entfernt ist. Hauptsächlich wird dieses Segment für das US-Militär, Raketenleitsysteme, zivile Anwendungen für GPS in fast allen Bereichen verwendet. Die meisten zivilen Nutzer nutzen es von der Vermessung bis zum Transport zu natürlichen Ressourcen und von dort aus auch zu landwirtschaftlichen Zwecken und zur Kartierung.

Wie GPS eine Position bestimmt:

Die Funktionsweise des globalen Positionsbestimmungssystems basiert auf dem mathematischen Prinzip der “Trilateration”. Die Position wird aus den Entfernungsmessungen zu Satelliten bestimmt. Aus der Abbildung werden die vier Satelliten verwendet, um die Position des Empfängers auf der Erde zu bestimmen. Der Zielort wird durch den 4. Satelliten bestätigt. Und drei Satelliten werden verwendet, um den Standort zu verfolgen. Ein vierter Satellit wird verwendet, um den Zielort jedes dieser Raumfahrzeuge zu bestätigen. Das globale Positionsbestimmungssystem besteht aus Satellit, Kontrollstation und Monitorstation und Empfänger. Der GPS-Empfänger nimmt die Informationen vom Satelliten und verwendet die Methode der Triangulation, um die genaue Position eines Benutzers zu bestimmen.

GPS-Fehler

Es gibt viele mögliche Fehlerquellen, die die Genauigkeit der von einem GPS-Empfänger berechneten Positionen beeinträchtigen können. Die Laufzeit der GPS-Satellitensignale kann durch atmosphärische Effekte verändert werden; wenn ein GPS-Signal die Ionosphäre und Troposphäre durchquert, wird es gebrochen, wodurch sich die Geschwindigkeit des Signals von der Geschwindigkeit eines GPS-Signals im Weltraum unterscheidet. Eine weitere Fehlerquelle ist Rauschen oder eine Verzerrung des Signals, die elektrische Störungen oder Fehler im GPS-Empfänger selbst verursacht. Die Informationen über die Satellitenbahnen führen auch zu Fehlern bei der Positionsbestimmung, da sich die Satelliten nicht wirklich dort befinden, wo der GPS-Empfänger aufgrund der Informationen, die er bei der Positionsbestimmung empfangen hat, “dachte”. Kleine Abweichungen in den Atomuhren an Bord der Satelliten können zu großen Positionsfehlern führen; ein Uhrenfehler von 1 Nanosekunde entspricht einem Benutzerfehler von 1 Fuß oder 0,3 Metern am Boden. Ein Mehrwegeffekt tritt auf, wenn die von den Satelliten übertragenen Signale von einer reflektierenden Oberfläche abprallen, bevor sie die Empfängerantenne erreichen. Während dieses Prozesses erhält der Empfänger das Signal sowohl auf einem geradlinigen Weg als auch auf dem verzögerten Weg (Mehrfachwege). Der Effekt ist ähnlich wie ein Geister- oder Doppelbild auf einem Fernsehgerät.

Geometrische Präzisionsverdünnung (GDOP)

Auch die Satellitengeometrie kann die Genauigkeit der GPS-Positionierung beeinflussen. Dieser Effekt wird als geometrische Präzisionsverdünnung (Geometric Dilution of Precision, GDOP) bezeichnet. Diese bezieht sich darauf, wo sich die Satelliten umeinander befinden und ist ein Maß für die Qualität der Satellitenkonfiguration. Sie kann andere GPS-Fehler modifizieren. Die meisten GPS-Empfänger wählen die Satellitenkonstellation, die die geringste Unsicherheit bietet, die beste Satellitengeometrie.

GPS-Empfänger melden in der Regel die Qualität der Satellitengeometrie in Bezug auf die Präzisionsverdünnung der Position (Position Dilution of Precision, PDOP). Es gibt zwei Arten von PDOP: horizontale (HDOP) und vertikale (VDOP) Messungen (Breitengrad, Längengrad und Höhe). Anhand des PDOP-Wertes können wir die Qualität der Satellitenpositionierung überprüfen, die der Empfänger gegenwärtig zur Verfügung hat. Ein niedriger DOP-Wert zeigt eine höhere Wahrscheinlichkeit der Genauigkeit an, und ein hoher DOP-Wert zeigt eine geringere Wahrscheinlichkeit der Genauigkeit an. Ein anderer Begriff von PDOP ist TDOP (Time Dilution of Precision). TDOP bezieht sich auf den Satellitentaktversatz. Auf einem GPS-Empfänger kann ein Parameter eingestellt werden, der als PDOP-Maske bekannt ist. Dadurch wird der Empfänger veranlasst, Satellitenkonfigurationen zu ignorieren, deren PDOP höher als der angegebene Grenzwert ist.

Selektive Verfügbarkeit (SA):

Selektive Verfügbarkeit tritt auf, wenn sich das DOD absichtlich verschlechtert hat; die Genauigkeit der GPS-Signale führt zu künstlichen Takt- und Ephemeridenfehlern. Während der Implementierung der SA war sie die größte Komponente des GPS-Fehlers und verursachte einen Fehler von bis zu 100 Metern. SA ist eine Komponente des Standard Positioning Service (SPS).