So funktioniert GPS

Das Global Positioning System (GPS) ist die Grundlage aller modernen Navigationssysteme -sei es im Flugzeug, im Auto, auf hoher See, oder beim Bergwandern. Hier eine Beschreibung, wie GPS eigentlich funktioniert:

{IMG(fileId="37",thumb="y",rel="box[g]",imalign="left",align="left")}{IMG} GPS wurde 1978 vom amerikanischen Verteidigungsministerium (Departement of Defense DoD) ins Leben gerufen. Das System verwendet 24 Satelliten. Sie umkreisen die Erde in Knapp 20’000 Km zur Erdoberfläche im 12 Stunden Rhythmus auf sechs verschiedenen Umlaufbahnen. Jeder Satellit sendet 50 mal pro Sekunde 3 verschiedene Signale, die das GPS Signal bilden:

    1. Signal: Den Pseudo- Zufalls Code, der jeden Satelliten eindeutig identifiziert. Ausserdem erledigt dieser Code die wichtigste Funktion im System: Er sorgt für die Positionsbestimmung. Der GPS Empfänger bestimmt seine Position vom Abstand zum Satelliten.

2. Signal: Das Almanach-Signal: Jeder Empfänger verfügt über einen Almanach, der ihm sagt, wann sich welcher Satellit wo befindet. Mit dem Signal wird diese Datenbank ständig aktuell gehalten.

3. Signal: Ein Zeitkorrektur-Signal, damit GPS-Empfänger ihre Uhren im Bedarfsfall mit den Satelliten-Uhren synchronisieren können, um so den Pseudo-Zufalls-Code exakt abgleichen zu können. Mit nur einem Satellitensignal kann jedoch noch keine Position im Raum bestimmt werden. Für eine halbwegs präzise Bestimmung bedarf es mindestens dreier Signale von verschiedenen Satelliten (Triangulation, siehe Abbildung). Der GPS- Empfänger errechnet aus den unter- schiedlichen Laufzeiten der Signale seine Position. Das DoD möchte verhindern, dass fremde Mächte oder Terroristen uneingeschränkt auf GPS zugreifen können. Deshalb senden die Satelliten zwei Pseudo-Zufalls-Signale auf unterschiedlichen Frequenzen aus. Das zivile Signal wird vom US-Verteidigungsministerium mit einem künstlichen Timing-Fehler versehen, der die Genauigkeit der Positionsbestimmung auf zirka 30 Meter beschränkt. Mit mathematischen Funktionen im Empfänger kann der Fehler bis zu einem gewissen Grad kompensiert werden, so dass sich eine grössere Genauigkeit als 30 Meter erzielen lässt, auch wenn sich die Systeme bewegen. Aber auch andere, nicht künstlich herbeigeführte Faktoren, können die Positionsermittlung behindern:
Störungen in der Atmosphäre, ungünstige Satellitenkonstellationen und vor allem eine Behinderung der Sichtverbindung zum Himmel. Wird GPS zur Routenplanung im Auto eingesetzt, braucht es das passende Kartenmaterial. Die vektorisierten Karten sind auf CD gespeichert und enthalten Positionsmarkierungen, die vom GPS-System mit den Satellitensignalen abgeglichen werden. So lässt sich die Position darstellen und die Route zum Ziel errechnen. Zusätzlich zu den Daten aus dem All wird der Navigationscomputer mit Daten von Sensoren am Fahr- zeug gefüttert, um die Genauigkeit der Position zu erhöhen. Ein Gyroskop (ähnlich einem Träghoheitskompass) und das Tacho-Signal geben Aufschluss über Fahrtrichtung, Geschwindigkeit und die Länge von Kurven. Mit den Daten kann auch ein kurzer Verlust des Satelliten Signals überwunden werden.

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