Das Global Positioning System (GPS) ist eine Satellitenkonstellation, die hochgenaue Positionierungs-, Navigations- und Zeitmessungsmessungen (PNT) weltweit unterstützt. Als eines der ersten Satellitenpositionierungssysteme ist GPS zu einem festen Bestandteil der weltweiten Arbeit geworden, darunter Präzisionslandwirtschaft, autonome Fahrzeuge, Schiffs- oder Luftvermessung und Verteidigungsanwendungen.
In diesem Artikel erklären wir, was GPS ist, wie es funktioniert, was die Unterschiede zwischen GPS und anderen Satellitensystemen wie Global Navigation Satellite Systems (GNSS) sind, sowie die Geräte und Anwendungen, die GPS unterstützt. Weitere Informationen zu GPS- und Satellitentechnologien finden Sie in unserem Buch An Introduction to GNSS.
Was ist GPS?
GPS ist eines von vielen GNSS, das Positionierungs-, Navigations- und Zeitmessungsmessungen (PNT) bereitstellt. Obwohl es von der U.S. Space Force, einem Zweig der U.S. Armed Forces, betrieben wird, steht GPS jedem weltweit zur Verfügung.
GPS wurde 1973 gestartet und startete 1978 seinen ersten Satelliten. Satelliten werden in Serien entwickelt und gestartet, die als Blöcke bekannt sind. Insgesamt wurden zwischen 1978 und 1981 10 Block-I-GPS-Satelliten gestartet. Die Satelliten der Block-II-Serie wurden ab 1989 gestartet und konnten auf zwei L-Band-Funkfrequenzen senden. Block II von GPS hatte mehrere Entwicklungsserien, darunter Block IIA, IIR, IIR-M und IIF. Jeder Satz von Satelliten baut auf den vorherigen Entwürfen und Fähigkeiten auf und gipfelt in Block III. Diese dritte Generation von GPS-Satelliten beginnt mit den neuen Signalen und der höheren Sendeleistung der Block IIIA-Serie. Der erste IIIA-Satellit von 10 wurde 2018 gestartet.
Wofür steht GPS?
GPS steht für Global Positioning System. Es wird auch oft verwendet, um das Ortungssystem selbst zu beschreiben, zum Beispiel das eingebaute GPS Ihres Fahrzeugs.
Wie funktioniert GPS?
Wie viele andere GNSS-Konstellationen umfasst GPS drei Hauptsegmente: das Weltraumsegment, das Kontrollsegment und das Benutzersegment.
Das GPS-Weltraumsegment umfasst über 30 Satelliten im Orbit, die von der U.S. Space Force betrieben und gewartet werden. Diese Satelliten senden Funksignale an Kontroll- und Überwachungsstationen auf der Erde und direkt an Benutzer, die eine hochpräzise Satellitenortung benötigen.
Die U.S. Space Force überwacht auch das GPS-Kontrollsegment. Es umfasst Hauptkontroll- und Backup-Kontrollstationen, dedizierte Bodenantennen und mehrere Überwachungsstationen, die sich weltweit befinden. Diese Stationen sorgen dafür, dass die GPS-Satelliten intakt sind, an den richtigen Orten kreisen und genaue Atomuhren an Bord haben. Diese Stationen sind integraler Bestandteil des Gesamtzustands und der Genauigkeit der GPS-Konstellation.
Das Benutzersegment umfasst alle, die sich für PNT-Messungen auf GPS-Satelliten verlassen. Von einem Mobiltelefon, das Wegbeschreibungen bereitstellt, bis hin zu autonomen Fahrzeugen, die eine genaue Positionsbestimmung auf Fahrspurebene erfordern; Von einem Landwirt, der Jahr für Jahr Pflanz- und Ernterouten verfolgt, bis hin zu einem UAV, das einen Regenwald kartiert, verwenden viele Anwendungen GPS für hochpräzise Positionierung und Genauigkeit auf der ganzen Welt.
Was sind GPS-Satellitensignale?
Satelliten senden kontinuierlich ihre Umlaufbahnposition und die genaue Zeit an dieser Position auf Funkfrequenzen. Dieses Signal wird zusammen mit mindestens drei anderen Satellitensignalen von Antennen empfangen und dann in einem GPS-Empfänger verarbeitet, um den Standort eines Benutzers zu berechnen.
GPS-Sendungen auf den zivilen Frequenzen L1 (1575,42 MHz), L2 (1227,60 MHz) und L5 (1176,45 MHz); GPS sendet auch auf L3 (1381,05 MHz) und L4 (1379,913 MHz) für staatliche und regionale satellitengestützte Erweiterungssysteme (SBAS). Mehrere Satelliten senden auch M-Code, einen Militärcode, der auf den L1- und L2-Frequenzen übertragen wird und ausschließlich für die Verwendung durch das US-Militär bestimmt ist.
Was ist M-Code?
M-Code ist eine GPS-spezifische Signalübertragung zur Unterstützung des US-Verteidigungsministeriums. Dieses Signal wurde erstmals mit dem Start des Block IIR-M-Satelliten im Jahr 2005 ausgestrahlt. M-Code bietet eine Verteidigungsebene gegen störende Interferenzen durch 21 M-Code-fähige GPS-Satelliten.
M-Code sendet auf den vorhandenen L1- und L2-L-Band-Frequenzen von GPS, wird jedoch moduliert, um L1/L2-Signale nicht zu stören. Militärische Empfänger können PNT allein durch M-Code berechnen. Darüber hinaus verwenden militärische Anwendungen M-Code, um die Leistung von L1- und L2-Signalen zu erhöhen, um Widerstandsfähigkeit gegen Interferenzen, Störungen und Spoofing-Vorfälle aufzubauen. GPS-Signale sind immer noch anfällig für Störungen, aber M-Code bietet eine Verteidigungsschicht gegen solche Störungen. Es gibt viele zusätzliche Ebenen von Anti-Jamming-Verteidigungen, die für die Etablierung einer gesicherten PNT auf GPS-Systemen entscheidend sind.
GPS-Genauigkeit
Ein Ortungssystem ist nur so gut wie sein Prozessor. Ein hochpräziser GPS-Empfänger ist viel genauer als beispielsweise ein Mobiltelefon. Potenzielle Fehlerquellen werden identifiziert und an Überwachungs- und Kontrollstationen modelliert, um die Genauigkeit zu optimieren.
Die meisten Fehler stammen von Taktfehlern, Orbitaldrift, atmosphärischen und Mehrwegverzögerungen und Hochfrequenzstörungen. Diese Quellen bedrohen ständig die Positionierungs-, Navigations- und Zeitgenauigkeit, indem sie zu einer geometrischen Verdünnung der Präzision beitragen.
Einige Technologien tragen dazu bei, die Verwässerung der Präzision und diese Fehler zu mindern, darunter Abonnements für GNSS/GPS-Korrekturdienste, SBAS und die Fusion zusätzlicher Sensoren wie Trägheitsnavigationssysteme oder Radar. Präzisere GPS-Empfänger helfen auch, Fehler durch verschiedene Algorithmen zu mindern, indem sie eine Position durch Pseudoentfernungs- oder Trägerwellenberechnungen berechnen.
Anwendungen von GPS
GPS unterstützt Anwendungen auf der ganzen Welt, die sich auf Satellitentechnologie für sichere Positions-, Navigations- und Zeitmessungen verlassen. Diese Anwendungen unterscheiden sich je nach Branche, aber die Verwendung von GPS basiert auf ihrem Bedarf an einer genauen Position, einer zuverlässigen und sicheren Navigation, der Verfolgung und Überwachung der Bewegung eines Objekts, der Vermessung und Kartierung eines Bereichs oder der Zeitmessung innerhalb einer Milliardstel Sekunde.
Beispielsweise verlassen sich Bergbauanwendungen auf GPS, um ein Gebiet zu vermessen, bevor sie mit dem Betrieb beginnen. Unternehmen verfolgen potenzielle Mineralvorkommen, identifizieren Gebiete, die sie meiden sollten, um ihre Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern, und aktivieren autonome Maschinen, die Mineralien über das Gelände transportieren.
Anwendungen, die eine hochpräzise Ortung erfordern, nutzen GPS neben anderen Konstellationen. Aufgrund seines verschlüsselten M-Code-Signals verlässt sich das US-Militär jedoch auf einzigartige Weise auf GPS. M-Code ermöglicht es dem Militär, den kontinuierlichen Zugriff auf die Positionsbestimmung zu sichern und Widerstandsfähigkeit gegenüber potenziellen Stör- und Interferenzquellen aufzubauen.