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GPS: Wie funktioniert es? Ausarbeitung

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GPS: Wie funktioniert es?
Ausarbeitung
KAMEL BEN YEDDER
FH Wiesbaden, Fachseminar, Herr Prof. Dr. Linn
Inhalt
1. Einleitung
2. Geschichte
3.Aufbau
3.1Weltraumsegment (Satelliten)
3.1.1 Block I Satelliten
3.1.2 Block II Satelliten
3.2 Kontrollsegment (Kontrollstationen)
3.3 Benutzersegment (GPS-Empfänger)
3
4
5
5
6
6
7
8
4. Positionsbestimmung
8
5. Einsatzbereich
11
6. Galileo
11
7. Abbildungsverzeichnis
12
8. Quellenangaben
13
8.1 Abbildungen
13
8.2 Textquellen
13
GPS: Wie funktioniert es? | FH Wiesbaden, Fachseminar, Herr Prof. Dr. Linn
Kamel Ben Yedder
Seite 2
1. Einleitung
GPS ist die Abkürzung des englischen Begriffs „Global Positioning System“.
Der eigentliche Name des Systems ist NAVSTAR (Navigation System for
Timing and Ranging)
Es wurde vom US-Verteidigungsministerium entwickelt.
Es ist ein System von mindestens 24 Satelliten Wobei 21 benötigt werden
und 3 für den aktiven Ersatz, welche die Erde 2-mal pro Tag in einer
nominellen Höhe von 20200 km umkreisen und Informationen zur Erde
schicken.
GPS Satelliten senden Signale aus, welche die genaue Ortsbestimmung eines
GPS Empfängers ermöglichen.
Das Global Positioning System (GPS) ist ein Verfahren mit dem man überall
auf der Erde seine Position, wie die geographische Länge, Breite und die
Höhe relativ zum Meeresspiegel, bestimmen kann.
Abbildung 1: was ist GPS
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2. Geschichte
Das GPS-Programm wurde mit der Gründung des JPO (Joint Program Office) im
Jahre 1973 gestartet. Der erste GPS-Satellit wurde 1978 gestartet. Im Dezember
1993 wurde die anfängliche Funktionsbereitschaft festgestellt. Zu diesem Zeitpunkt
waren 24 Satelliten im Einsatz. Die volle wurde im April 1995 erreicht und am
17.7.1995 bekannt gegeben.
Um nicht-autorisierte Nutzer (militärische Gegner) von einer genauen
Positionsbestimmung auszuschließen, wurde die Genauigkeit für Nutzer, die nicht
über einen Schlüssel verfügen, künstlich verschlechtert.
Am 1. Mai 2000 wurde diese künstliche Ungenauigkeit bei allen Satelliten
abgeschaltet, so dass das System seitdem auch außerhalb des bisherigen exklusiven
Anwendungsbereichs zur präzisen Positionsbestimmung genutzt werden kann.
Am 25. September 2005 brachte eine Delta II-Rakete den ersten GPS-Satelliten der
Baureihe GPS 2R-M (Modernized) in den Weltraum. Die Antenne wurde verbessert
und das Sendespektrum um eine zweite zivile Frequenz und zwei neue militärische
Signale erweitert.
Abbildung 2: Der erste GPS-Satellit
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3. Aufbau
Das gesamte GPS-System ist in drei Segmente aufgeteilt:
-
Weltraumsegment (Satelliten)
Kontrollsegment (Kontrollstationen)
Benutzersegment (GPS-Empfänger)
Abbildung 3: Aufbau des GPS-Systems
3.1 Weltraumsegment (Satelliten)
besteht aus mindestens 24 Satelliten
der erste dieser Satelliten wurde bereits 1978 in seine Umlaufbahn gebracht
mittlerweile gibt es fünf verschiedene Typen (Block I, Block II, Block IIA, Block IIR
und Block IIF) dieser Satelliten, die im Laufe der Jahre weiter entwickelt
wurden.
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3.1.1 Block I Satelliten
Diese Block I Satelliten wurden Zwischen 1978 und 1985 gestartet. Heute
sind sie jedoch außer Betrieb. Diese Satelliten waren für eine Lebensdauer
von 4,5 Jahre gebaut. Einer der Satelliten war 13 Jahre lang in Betrieb.
Abbildung 4: Block I Satelliten
3.1.2 Block II Satelliten
Im Jahr 1990 wurde der erste Block IIA-Satellit (A steht für
"advanced") in seine Umlaufbahn gebracht.
Diese Satelliten sind für eine Betriebsdauer von 7,5 Jahren ausgelegt.
Die Block II und Block IIA Satelliten besitzen jeweils zwei stabile
Atomuhren.
Abbildung 5: Block II Satelliten
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Seite 6
Die Satelliten des Blocks IIR haben drei Atomuhren an Bord. Die als
Erster eine zweite Frequenz für die zivile Nutzung unterstützen und
ein neues militärisches Signal ermöglichen.
Die nächste Generation der Satelliten (Block IIF) soll voraussichtlich
über eine dritte Frequenz für die zivile Nutzung verfügen, die dann
Positionsbestimmungen mit noch größerer Genauigkeit ermöglichen.
3.2 Kontrollsegment (Kontrollstationen)
Das GPS-System liegt vollständig unter der Kontrolle der US-Armee. Zur
Überwachung, Steuerung und Kontrolle der Satelliten dient eine "Master
Control Station„ in Schriever, USA. Dabei berechnet die Station auch die
Ephemeridendaten für jeden Satelliten, sowie die Daten für den Almanach 1.
Vier weitere Monitorstationen der U.S. Luftstreitkräfte auf Hawaii, den
Ascension Islands, Diego Garcia und Kwajalein.
2005 wurden noch weitere sechs Monitorstationen der NGA (National
Geospatial-Intelligence Agency) hinzugefügt. Dadurch
kann jeder Satellit rund um die Uhr von mindestens zwei Monitorstationen
empfangen werden. 2
Abbildung 6: Kontrollsegment (Kontrollstationen)
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3.3 Benutzersegment (GPS-Empfänger)
Dieses Segment umfasst alle Zivilen und militärischen Nutzer, die nur mit der
Hilfe ein GPS-Empfänger die Informationen von Satelliten erhalten und
verwenden können.
Abbildung 7: Benutzersegment (GPS-Empfänger)
4. Positionsbestimmung
Für eine Ortsbestimmung werden normalerweise mindestens 3 Satelliten
benötigt. Da aber die GPS-Empfänger nicht über eine so genaue Uhr verfügt,
wird immer noch ein vierter Satellit nötig um die eigene Position festzustellen.
Damit überall immer mindestens vier Satelliten zu empfangen sind, werden
insgesamt mindestens 24 Satelliten benötigt. Jeder dieser Satelliten ist für eine
Lebensdauer von 7,5 Jahren gebaut. Diese wird jedoch überschritten.
Da aber häufiger Satelliten ausfallen und die Mindestzahl von 24 Satelliten
nicht unterschritten werden darf, wurden 31 Satelliten in den Orbit gebracht.
Die 24 Satelliten sind auf insgesamt 6 Bahnen verteilt, auf jeder dieser Bahn
befinden sich vier Satelliten in einer Höhe von 20200 KM.
1
2
Almanachdaten: Informationen über Standort und Funktionsfähigkeit des Satelliten
http://www.kowoma.de/gps/Satelliten.htm
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Mit wenigstens drei Satelliten kann der Empfänger seine Position auf der
Erdoberfläche bestimmen. Dieser wird zweidimensional bestimmt.
Mit Hilfe von vier oder mehr Satelliten kann eine absolute Position im Raum
oder eben zusätzlich die Höhe über der Erdoberfläche bestimmt werden.
Durch ständige Nebenrechnung der aktuellen Position, kann der GPSEmpfänger auch die genaue Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung
berechnen.
Abbildung 8: Positionsbestimmung 1
Vereinfacht gesagt sendet jeder Satellit eine Nachricht der Art: “ Ich bin
Satellit Nr. N0, meine Position ist grad Xi, Yi, Zi und diese Nachricht wurde
zum Zeitpunkt Ti versandt. “
Abbildung 9: Positionsbestimmung 2
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Seite 9
Diese Informationen werden von GPS-Empfänger gespeichert und für die
Rechnung der Position verwendet.
Um nun die Position zu bestimmen, vergleicht der GPS-Empfänger die Zeit
zu der das Signal ausgesandt wurde, mit der Zeit, zu der das Signal
empfangen wurde. Aus dieser Zeitdifferenz kann die Entfernung zu den
Satelliten berechnet werden. Die drei Entfernungen führen zur folgenden
Gleichung:
Entfernung Pi = Ausbreitungsgeschwindigkeit G *(Uhrzeit Empfänger T- Uhrzeit Satellit Ti)
Pi=
Die Satelliten sind mit einer Atomuhr einer extremen Genauigkeit
ausgestattet, die die Signale hervorbringen und die Abfahrtszeit angeben.
Der Empfänger am Boden, besitzt die präzisen Koordinaten der
Umlaufbahnen aller Satelliten. Erhält das Signal eines Satellits und kann
seine Position von dem bestimmen.
Wenn wir die Daten von drei Satelliten kreuzen, bleiben nur zwei Punkte.
Der Empfänger eliminiert den Punkt, der nicht auf der Erde steht.
Die Satelliten sind mit Atomuhren ausgestattet, der Standardempfänger
besitzt keine. Dies kann zu einer Verschiebung einer Sekunde bzw. ein Fehler
von 300.000 km führen! Um seine Position zu bestätigen braucht man einen
vierten Satelliten, der die vorhergehenden Maßnahmen verbessert.
Abbildung 10: Positionsbestimmung 3
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5. Einsatzbereich
GPS wurde ursprünglich nur für militärische Zwecke entwickelt. So wurde
GPS anfangs vom amerikanischen Verteidigungsministerium entwickelt und
Finanziert. Heute wird GPS immer noch in unterschiedlichen Waffensystem,
Kriegsschiffen, Flugzeugen usw. verwendet. Aber die zivile Nutzung von GPS
ist mittlerweile größer als die Militärische. Heute ist die Schifffahrt und
Luftfahrt auf GPS angewiesen. Aber auch im Auto wird GPS immer häufiger
genutzt und auch in der Vermessung ist GPS mittlerweile ein sehr wichtiger
Bestandteil.
Abbildung 11: Einsatzbereich
6. Galileo
Galileo ist der Name des europäischen Satellitennavigationssystems.
Allerdings wurde Galileo ursprünglich nur für zivile Zwecke konzipiert.
Galileo basiert auf 30 Satelliten (27 plus drei Ersatz).
Galileo steht nicht nur in Konkurrenz zum US-amerikanischen NAVSTAR-GPSSystem sondern können Daten künftig sowohl von den Galileo- als auch von
den GPS und GLONASS-Satelliten empfangen und durch Kombination aller
drei Signale eine sehr hohe Genauigkeit erzielen.
Das System befindet sich noch im Aufbau und soll voraussichtlich 2013
komplett ausgebaut sein.
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7. Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: was ist GPS......................................................................................................................... 3
Abbildung 2: Der erste GPS-Satellit......................................................................................................... 4
Abbildung 3: Aufbau des GPS-Systems…………………................................................................................. 5
Abbildung 4: Block I Satelliten…………...................................................................................................... 6
Abbildung 5: Block II Satelliten................................................................................................................ 6
Abbildung 6: Kontrollsegment (Kontrollstationen)....................................................................................7
Abbildung 7: Benutzersegment (GPS-Empfänger)................................................................................... 8
Abbildung 8: Positionsbestimmung 1………………………………………………….................................................. 9
Abbildung 9:Positionsbestimmung 2………………….................................................................................... 9
Abbildung 10: Positionsbestimmung 3……………………………………………………………………………………………… 10
Abbildung 11: Einsatzbereich………………………………………………………………. .............................................. 11
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8.1 Quellenangaben
8.1 Abbildungen
Abbildung 1:
http://www.ashleyelectrical.com.au/main/resources/product_categories/images/satellite.gif
Abbildung 2: http://www.capcomespace.net/actualites/shenzhou2a_010110_02,2.jpg
Abbildung 3: http://www.kowoma.de/gps/Satelliten.htm
Abbildung 4: http://www.ph-linz.at/ZIP/service/box/modell/gps/gps2.jpg
Abbildung 5: http://www.kowoma.de/gps/Satelliten.htm
Abbildung 6: http://www.kowoma.de/gps/Bodenstationen.htm
Abbildung 7: http://www.zdnet.de/i/news/200801/tomtom_go930t.jpg
Abbildung 8: http://www.gs-enduro.de/pics/pics_orientierung/pics_gps/gps_ranging.gif
Abbildung 11: http://www.baechli-bergsport.ch/ProtectedImages/3216087.res-322x600.jpg
8.2 Textquellen
http://de.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System
http://de.wikipedia.org/wiki/GLONASS
http://de.wikipedia.org/wiki/Galileo_(Satellitennavigation)
http://www.kowoma.de/gps/Geschichte.htm
http://www.kowoma.de/gps/Positionsbestimmung.htm
http://www.kowoma.de/gps/Satelliten.htm
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