1. Global Position System – Definition – Funktionsweise

Von amerikanischen Wissenschaftlern Ende des 20.Jahrhunderts entwickelt, basiert das Global Position System (GPS) auf der Grundlage der Satellitentechnik im Weltraum.

Die Aufgabe des GPS - Systems besteht darin präzise Positionsdaten auf der Erde mit Hilfe bestimmter im Weltraum angebrachter Komponenten zu ermitteln. 24 Satelliten umkreisen in einer Höhe von 20200 km die Erde 2 × pro Tag. Neben den 24 Satelliten im Weltraum gibt es noch drei weitere aktive Reservesatelliten.

Mit Hilfe vier exakt arbeitenden Uhren, einem Navigations- und Kommunikationssender bzw. Kommunikationsempfänger, einem systematisch rotierenden Kreisel, sowie einigen Sonnenkollektoren können diese 24 Satelliten die exakten Positionen auf der Erde ermitteln.

Des Weiteren ist zu erwähnen, dass das GPS – System nicht mit dem eigentlichen Nutzer kommuniziert, sondern „nur“ die Signale empfängt, welche weltweit und wetterunabhängig ausgestrahlt werden. Daher spricht man beim GPS auch von einem passiven System.

Die Signale werden von mehreren Satelliten ausgesendet. Damit lässt sich die präzise 3D-Positionen, die Neigung, sowie die Geschwindigkeit des Objektes bestimmen.

Neben den Raumkomponenten besteht das System noch aus einem Kontrollsegment und einem Nutzungssegment.

Die Kontrollstation sendet, empfängt und speichert die Navigationssignale der Satelliten. Die daraus erhaltenen Kontroll- und Korrekturdaten werden kontinuierlich an jeden einzelnen Satelliten gesendet, damit die festgelegte Erdumlaufbahn eingehalten wird.

Das Nutzungssegment besteht aus Antenne, Empfänger, Quarzuhr, Datenbank und einem leistungsfähigen Rechner (CPU).

Es gibt weltweit fünf Kontrollstationen, eine Hauptstation und drei Verbindungsstationen.

Dabei werden die Entfernungen zwischen den Satelliten und dem Empfänger gemessen. Um von der Streckenmessung zur Positionsbestimmung zu kommen, greift man auf trigonometrische Berechnungen zurück.

In der Ebene reichen zwei fest fixierte Punkte aus, um die Koordinaten der gesuchten Position zu bestimmen.

Im Raum sind dafür drei Strecken notwendig. Um zusätzlich noch den Uhrenabgleich zwischen Satellit und Empfänger zu bestimmen, sind insgesamt vier Unbekannte (x, y, z, Dt)  pro Standort notwendig.

Für eine vollständige Ortsbestimmung im Raum müssen also vier unabhängige Messungen der jeweils vier verschiedenen Satelliten durchgeführt werden.

Aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften der Atmosphäre kommt es zu Messfehlern und damit Ungenauigkeiten in der Positionsbestimmung. Zur Korrektur wird die differentielle GPS-Messung (DGPS) angewendet, d.h. es werden nur Relativkoordinaten zwischen dem Empfänger über einer bekannten Station und einem Empfänger über der gesuchten Position bestimmt.

An beiden dieser Empfangsstationen gelten Fehlerbedingungen, die vergleichbar miteinander sind, so dass durch Differenzbildung der Fehler eine Positionsbestimmung bis im Zentimeterbereich genau durchgeführt werden kann.

Eine vereinfachte Ortsbestimmung mit GPS lässt sich wie folgt erklären:

Der Sender strahlt regelmäßig ein Signal in Form einer elektromagnetischen Welle aus. Der Empfänger erhält das Signal nach einer bestimmten Zeit. Um die Entfernung zu bestimmen, muss man die Zeitdifferenz aus Signalempfang und Signalabgang messen.

Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen der Lichtgeschwindigkeit entspricht, lässt sich folgende mathematische Gleichung aufstellen:

 v         =          Ausbreitungsgeschwindigkeit
 t₁         =          abgehende Zeit
 t₂         =          empfangene Zeit
 x         =          Abstand
 
                        x  =  v _* (t₂ – t₁)

Dabei ist zu beachten, dass Radar- und GPS- Anlagen im dreidimensionalen Raum arbeiten.