GPS Global
Positioning System
Fast jeder kennt es,
viele benutzen es bereits.
12.05.2011
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Was ist GPS?
GPS – (Global Positioning System)
3D Positionsbestimmung durch Laufzeitmessung
GPS wird in der Luft-, Landund Seefahrtnavigation als
Auch bei der Landvermessung und anderen Anwendungen eingesetzt.
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Geschichte
1973: Beschluss zur Entwicklung eines Sattelitensystems
1978 – 1985: Start von elf Block I Satelliten
1989 - 1994: Block II Satellit wurde "installiert" und aktiviert
17.07.1995: Volle Betriebsbereitschaft (SPS und PPS)
1.05.2000: Erhöhung der Genauigkeit für zivile Nutzer von
ca. 100 m auf 20 m, Abschaltung SA
- Das S.A. (Selective Availability) führt durch die künstliche
Veränderung der gesendeten Daten zu einer deutlich
schlechteren Genauigkeit bei ziviler Nutzung.
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NAVSTAR
Navigation System for Timing and Ranging
- 1995: 21 Satelliten (+3 in Reserve)
- 2010: 30 Satelliten
- 6 Umlaufbahnen a 4 Satelliten
- Umlaufhöhe 20.200 km
- Geschwindigkeit 13.900 km/h
- 1 Umlauf in 12 h
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Weltraumsegment
(Satelliten)
Das Weltraumsegment
besteht aus mindestens
24 Satelliten
1978 bis 1985 elf Satelliten Block I, Erprobung
1989 bis 1996 neun Satelliten Block II
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Kontrollsegment I
(Kontrollstationen)
Die Kontrolle über das GPS-System liegt vollständig
in der Hand der US-Armee.
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Kontrollsegment II
(Kontrollstationen)
• 1 Master Control Station (Colorado)
Erfassung von Satellitendaten
Berechnung der Korrekturdaten
• 4 Monitor Stations
Erfassung von Satellitendaten
Übermittlung der Daten an die M.C.S.
• Alle Stationen senden zweimal täglich Korrekturdaten
Positionskorrektur der Satelliten
Uhrenabgleich für Satelliten
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Benutzersegment
(GPS-Empfänger)
GPS-Satellitenempfänger lassen sich mittlerweile so
kompakt bauen, dass sie sogar in eine Armbanduhr
integriert werden können. Die meisten der heute
angebotenen Geräte für den Privatgebrauch haben
etwa die Größe eines Mobiltelefons. Alle heute
angebotenen Geräte haben mindestens 12 Kanäle,
d.h. sie können die Daten von bis zu 12 Satelliten
gleichzeitig verarbeiten und auswerten.
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Positionsbestimmung I
Positionsbestimmung mit zwei Satelliten
« Ich bin Satellit X, meine Position ist gerade Y und diese
Nachricht wurde zum Zeitpunkt Z versandt »
=> Für eine 2D-Positionsbestimmung
auf der Erdoberfläche benötigt man 2
Satelliten
=> Schnitt zweier Kugeln (Schnittkreis)
=> Schnitt mit Erdoberfläche
=> zwei mögliche Positionen
=> Eine ist unwahrscheinlich
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Positionsbestimmung II
Genaue Positionsbestimmung mit drei Satelliten
= > Errechnen eines gleichen
Zeitkorrekturfaktors für alle
Satelliten
= > Der systematische Fehler wird
herausgerechnet
= > Uhren der Empfänger korrigiert
= > nur ein Punkt ist möglich
Da das GPS für 3 Dimensionen konzipiert ist,
wird ein vierter Satellit für die Höhe benötigt.
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Signale
Das L-Band von 1 – 2 GHz für Navigationsdaten
Daten von Satelliten zu den GPS-Empfängern
Das S-Band von 2 – 4 GHz für Korrekturdaten
Daten von Bodenstationen zu den Satelliten
-L1 Signal (1575,42 MHz) - L2 Signal (1227,60 MHz)
- Navigationsdaten
- verschlüsselt
- zivile Nutzung
- militärische Nutzung
Satellit hat einen eigenen C/A-Code (Pseudo-Zufallscode)
- mit beiden Signalen Korrektur der ionosphärischen Fehler
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Entfernungsbestimmung
durch Laufzeitmessung
p=c*T
p = Strecke Satellit - Empfänger
c = Lichtgeschwindigkeit 300.000 km/s
T = Laufzeit des Signals
- der Satellit sendet ein Signal mit dem C/A-Code moduliert
- der Empfänger vergleicht das empfangene mit dem
erwarteten Signal
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Fehlerquellen I
- Satellitengeometrie:
- 100-150 Meter
ungünstige Satellitenkonstellation wirkt
Sich negativ auf alle Fehlerquellen aus
- Satellitenumlaufbahn:
- 1 Meter
Schwankungen durch unterschiedliche
Gravitation
- Mehrwegeffekte:
- 1 Meter
Fehler durch Reflektion an Bergen und
Gebäuden
- Atmosphärische Effekte Ionosphäre=> Signalausbreitung langsamer
- 5 Meter
- Streuungen und Reflektionen in der
Ionosphäre
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Fehlerquellen II
Mehrwegeffekte:
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Atmosphärische Effekte:
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Triangulation I
Positionsbestimmung ohne Höhe
Vorgabe:
Bekannter Ausgangspunkt
Definierte Entfernung
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Eindeutige Positionsbestimmung
nicht möglich
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Triangulation II
Positionsbestimmung ohne Höhe
Vorgabe:
Zwei bekannte Ausgangspunkte
Zwei definierte Entfernungen
Ergebnis: Die Schnittpunkte der
Kreise ergeben zwei Punkte
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Triangulation III
Positionsbestimmung ohne Höhe
Vorgabe:
Drei bekannte Ausgangspunkte
Drei definierte Entfernungen
Ergebnis: Die Schnittpunkte der
Kreise ergibt einen Punkt
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Triangulation IV
Positionsbestimmung mit Höhe
Vorgabe:
Vier bekannte Ausgangspunkte
Vier definierte Entfernungen
Ergebnis: Die Schnittpunkte der Kreise ergibt
einen Punkt, der in Lage und Höhe
eindeutig bestimmt ist
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Was ist mit GPS möglich:
Standorte ermitteln und Wege aufzeichnen
Einfachste GPS-Anwendung  Standortermittlung
Ergebnis:
 Standort wird auf Karte angezeigt
 Zurückgelegte Strecke wird aufgezeichnet
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Was ist mit GPS möglich:
Wander- und Radtouren planen
Navigation für Wander- und Radtouren
Ergebnis:
 Planung am PC
 Route auf GPS kopieren
 Route abwandern / nachradeln
 GPS gibt Richtungsänderungen an
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Was ist mit GPS möglich:
Geocaching
Moderne Schatzsuche - Schnitzeljagd
Abwandern von verschiedenen Zielen in
vorgegebener Reihenfolge
Geotagging
 Fotografieren mit Geodaten
 Ergänzung der Bilddaten mit Koordinaten
 Geotag-Fotos in Google Earth einbinden
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Nützliche Programme:
Kommerzielle Programme:
 Touratech QV
 CompeGPS Land
 Fugawi Global Navigator…
Kostenlose Programme:
 Garmin Training Center
 GPS TrackMaker
 Gpsies
 Bikemap
Beide Bereiche werden ständig erweitert!
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