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zuletzt bearbeitet am 14.10.2007 		GPS-Satellitensystem

Allgemeines zur Navigation


GPS - Funktionsprinzip


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Auf dieser Seite findet man Daten und das Funktionsprinzip der GPS-Navigation



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Allgemeines zur Navigation

GPS - Funktionsprinzip





Navigieren beinhaltet 2 Merkmale:
1. Wo bin ich? (Standortbestimmung)
2. Welchen Weg muss ich nehmen? (Bestimmung der Bewegungsrichtung)



Straßenkarten, Wegweiser, Ortsschilder, der Wegstreckenzähler im Anzeigeinstrument aber auch Auskünfte von Ortskundigen sind Hilfsmittel, um sich in einer fremden Umgebung zurechtzufinden. Stehen all oder einige dieser Dinge zur Verfügung, fällt es nicht schwer sein Ziel zu finden. Schwierig wird es allerdings im Gelände ohne diese Orientierungen z.B. in Wald, Wüste, Nebel, Häusermeer. Tatsächlich haben die Menschen schon früh gelernt, sich mit Kompass, Uhrzeit und Sonnenstand bzw. Sternenposition auch weit entfernt von ihrer gewohnten Heimat, sogar auf offener See ihre Route zu bestimmen. Mit der Satellitennavigation hat man eine zusätzliche Möglichkeit, die im Hinblick auf
  1. Schnelligkeit
  2. Genauigkeit
  3. Komfort
  4. Zusatzmöglichkeiten
von keiner anderen Navigationstechnik überboten wird.

Bisher berteiben die USA mit dem GPS (Global Positioning System) und Russland mit GLONASS je ein System, von dem sich allerdings GPS international durchgesetzt hat, nachdem es zunächst rein militärisch, seit 1995 auch zivil nutzbar gemacht wurde.
Seit Mai 2000 wurde die Genauigkeit für zivile Nutzer erhöht, so dass seit dem die Positionsberstimmung auf 15m genau erfolgen kann.
In der EU wird ein Konkurrenzsystem mit verbesserter Technik und höherer Genauigkeit (4m) unter dem Namen Galileo geplant. Es wird allerdings nicht vor 2011 betriebsbereit sein.









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GPS-Satellitensystem Die Erde wird umkreist von 24 GPS-Satelliten, die in 6 Umlaufbahnen auf etwa 20000km Höhe die Erde in ca. 12 Stunden umrunden. Das System ist so ausgelegt, dass man zu jeder Zeit an jedem Ort der Welt die Signale von mindestens 4 Satelliten direkt empfangen kann, sofern es keine Abschattungen durch Schluchten, Hochhäuser, Tunnels oder sonstige Hindernisse gibt.

An Bord jedes Satelliten befindet sich eine ultragenaue Atomuhr (Ganggenauigkeit: 10-15 s) , die mit den Uhren der anderen Satelliten synchronisiert ist, ein Sender und ein Empfänger. Während der Empfänger dazu dient, Steuersignale von den Erdstationen zu empfangen, sendet der Sender regelmäßig Signale aus:
  1. Ich bin Satellit xy
  2. Ich befinde mich gerade auf der Position mit den Koordinaten a, b und c
  3. Meine Uhrzeit ist gerade soundso spät.



























GPS-Satellitennavigation mit 3 Satelliten Diese Signale können mit einem geeigneten Empfänger empfangen werden. Der GPS-Empfänger im Auto, der über eine hochgenaue Quartzuhr verfügt kann nun die Laufzeit des Signals berechnen und mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit (c = 300000km/s) seine Entfernung s1 vom Satelliten1 ermitteln, als dieser sein Signal abgeschickt hat. (Die Fahrzeugbewegung wird zunächst vernachlässigt und später durch Korrekturverfahren berücksichtigt.) Da das Satellitensignal in alle Richtungen ausgestrahlt wird, weiß das Bordnavigationsgerät jetzt, dass es sich auf einer Kugeloberfläche mit dem Radius s1 um den Mittelpunkt der gesendeten Position vom Satelliten1 befinden muss.

Diese Kugeloberfläche berührt die Erdkugel im gesamten Kreis 1. Das Fahrzeug muss alo irgendwo auf diesem Kreis sein. Das schränkt natürlich den Aufenthaltsort schon stark ein, nützt aber z.B. morgens im Berufsverkehr herzlich wenig.

Die Zusatzinformation von einem 2. Satelliten ergibt eine Position auf der Kugeloberfläche mit dem Radius s2 um die Sendeposition des Satelliten2. Damit befindet sich das Fahrzeug auf der Schittmenge dieser Kugeloberfläche und der Erdoberfläche, also auf dem Kreis 2.

Mit den Signalen der Satelliten 1 und 2 erhält man also die Punkte 12 und 123, als mögliche Positionen des Fahrzeugs. Von den beiden gefundenen Punkten liegt einer z.B. auf der Strecke von Mülheim nach Neuss, während der andere (hier) mitten im Nordatlantik liegt und daher aus der Betrachtung ausscheidet.

Allerdings ist die Erde aber eine abgeplattete Kugel die zusätzlich noch ziemlich runzelig ist (Gebirge). Daher nutzt man die Informationen aus dem Signal eine 3. Satelliten. Schnittmenge der 3 Signalkugeln sind 2 Punkte, von denen einer irgendwo im Weltraum oder Erdinneren ist und der andere auf der Erdoberfläche. Damit kann man außer den Koordinaten auch noch die Höhe über dem Meeresspiegel der Fahrzeugposition bestimmen.

Tatsächlich ist noch das Signal eines 4. Satelliten nötig, weil nämlich die Uhr im GPS-Empfänger im Auto zwar auf ca. 10-6s genau gehen mag, dies aber lange nicht genau genug ist, um die Position auf etwa 10m exakt zu bestimmen. Das Signal des 4. Satelliten ermöglicht eine Zeitkorrektur.

Hat Ihr Fahrzeug Kontakt zu mindestens 4 GPS-Satelliten, so kann es aus deren Signalen exakte Navigationdaten ableiten.



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