Global Positioning System (GPS) im Überblick

Das Global Positioning System oder GPS ist ein hochpräzises satellitengestütztes Navigations- und Ortungssystem. Mit einem GPS-Empfänger können Benutzer schnell ihre genaue Breite, Länge und Höhe bestimmen. Das GPS-System Navstar wurde vom US-Militär entwickelt. Schlachtfeldraketen und Artilleriegeschosse verwenden GPS-Signale, um ihre Positionen und Geschwindigkeiten zu bestimmen. Das System wird jetzt auch in zivilen Anwendungen weit verbreitet, wie zum Beispiel für die Navigation der Internationalen Raumstation, Flugzeuge, Schiffe, Eisenbahnlokomotiven, Krankenwagenflotten, Familienautos und sogar Wanderer und Golfer. Andere Anwendungen umfassen das Erstellen von Karten, das Messen der Kontinentaldrift und das Verfolgen der Bewegung der polaren Eisschilde. Viele GPS-Empfänger sind nicht größer als ein Taschenrechner, während winzige GPS-Computerchips in andere elektronische Geräte wie Mobiltelefone und Armbanduhren eingebaut werden können.

Ein GPS-System umfasst eine Flotte von Kommunikationssatelliten, die die Erde umkreisen. Die Satelliten senden weltweit rund um die Uhr Funksignale aus. Um seine Position zu bestimmen, misst ein GPS-Empfänger auf der Erde zunächst die Zeit, die Funksignale benötigen, um von einem Satelliten zu seinem Standort zu gelangen – was weniger als eine Zehntelsekunde sein wird. Als nächstes multipliziert der Empfänger diese Zeit mit der Geschwindigkeit einer Funkwelle – 186.000 Meilen (300.000 Kilometer) pro Sekunde – um die Entfernung zwischen ihm und dem Satelliten zu ermitteln.

Die Kenntnis der Entfernung zum Satelliten ermöglicht es dem Empfänger, seine Position einzugrenzen. Es muss sich irgendwo auf der Oberfläche einer imaginären Kugel mit einem Radius befinden, der seiner Entfernung vom Satelliten entspricht. Der eingebaute Computer des Empfängers berechnet den genauen Standort durch einen Prozess namens Triangulation. Die Triangulation erfordert Messungen von drei verschiedenen Satelliten. In der Praxis verwendet ein GPS-Empfänger jedoch Daten von mindestens vier Satelliten, um leichte Ungenauigkeiten in der Uhr des Empfängers auszugleichen. Die vier Satellitenmessungen ermöglichen dem Empfänger zu bestimmen, dass sein Standort auf der Oberfläche von vier verschiedenen imaginären Kugeln liegen muss. Der Empfänger berechnet schnell den einen Punkt, an dem sich alle vier Kugeln schneiden, und bestimmt effektiv die aktuelle Länge, Breite und Höhe des Benutzers.

Durch dieses Verfahren bestimmt ein GPS-Empfänger, der den zivilen Basisdienst verwendet, typischerweise seine Position innerhalb von etwa 35 Fuß (10 Meter) von seinem wahren Standort. Empfänger können verschiedene Augmentationstechniken verwenden, um den Ort weiter zu lokalisieren, bis auf weniger als etwa 0,5 Zoll (1 Zentimeter). Noch genauer ist der militärische GPS-Dienst.

Das US-Verteidigungsministerium begann 1978 mit dem Start von experimentellen GPS-Satelliten. 1994 schickte es den letzten Navstar-Satelliten ins All, und das System war im folgenden Jahr voll funktionsfähig. Das Navstar-System besteht aus 24 Hauptsatelliten in sechs Umlaufbahnen um die Erde, wobei jeder Satellit alle 12 Stunden die Erde umkreist. Die Umlaufbahnen sind so angeordnet, dass von den meisten Punkten der Erde aus jederzeit mindestens fünf Satelliten im Blickfeld sind. Drei Ersatzsatelliten umkreisen die Erde, falls sie als Ersatz benötigt werden.
GPS Navigation
Contunico © ZDF Enterprises GmbH, Mainz; Vorschaubild © Rudmer Zwerver/Dreamstime.c…
Contunico © ZDF Enterprises GmbH, Mainz; Vorschaubild © Rudmer Zwerver/Dreamstime.com

Andere Länder haben ebenfalls GPS-Satellitennetzwerke entwickelt. Das russische Militär unterhält GLONASS (Global Navigation Satellite System), das 1996 in Betrieb genommen wurde. 2007 genehmigte die Europäische Union die Finanzierung für den Start von 30 Satelliten, um eine eigene GPS-Version namens Galileo zu entwickeln. In der Zwischenzeit begann China mit der Entwicklung seines Beidou-Navigationssystems. Es begann im Jahr 2000 mit dem Start seiner ersten GPS-Satelliten und im Jahr 2007 mit einer Reihe von Satelliten der zweiten Generation, die als Beidou-2 oder Compass bekannt sind.

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