Ist GPS sinnvoll oder vielleicht sogar Vorraussetzung?

Das Global Positioning System (GPS) ist ein satellitengestütztes Funknavigationssystem, das ein Signal aussendet, das von Empfängern genutzt wird, um die genaue Position überall auf der Welt zu bestimmen.

Zusammenfassung

• 🛰️ GPS bestimmt per Satellit die genaue Position weltweit.
• 🪖 Ursprünglich militärisch, seit den 1980ern zivil nutzbar.
• 🌦️ Es funktioniert bei jedem Wetter, rund um die Uhr.
• 📍 Drei Satelliten liefern eine zweidimensionale Position.
• 🗻 Vier oder mehr Satelliten ergänzen die Höhenangabe.

Ursprünglich war GPS für militärische Anwendungen gedacht, aber in den 1980er Jahren stellte die Regierung das System für die zivile Nutzung zur Verfügung.

GPS funktioniert bei allen Wetterbedingungen, überall auf der Welt, 24 Stunden am Tag. Die 24-Satelliten-Konstellation ist so ausgelegt, dass immer mindestens fünf Satelliten für einen Nutzer weltweit sichtbar sind.

Wie funktioniert GPS?

Ein GPS-Empfänger muss auf das Signal von mindestens drei Satelliten ausgerichtet sein, um eine zweidimensionale Position (Breiten- und Längengrad) zu berechnen, Bewegungen zu verfolgen und die Fahrerkarte auszulesen. Wenn vier oder mehr Satelliten in Sichtweite sind, kann der Empfänger die dreidimensionale Position des Benutzers bestimmen (Breitengrad, Längengrad und Höhe).

Andere Satelliten müssen ebenfalls in Sichtweite sein, um Signalverluste und Signalmehrdeutigkeiten auszugleichen. Die Verwendung des GPS wird in Kapitel 17 des Pilot Handbook of Aeronautical Knowledge, Navigation, ausführlicher behandelt. Außerdem wird GPS im Aeronautical Information Manual (AIM) behandelt.

Der Empfänger verwendet Daten von Satelliten oberhalb des Maskenwinkels (der niedrigste Winkel über dem Horizont, bei dem ein Empfänger einen Satelliten nutzen kann).

Das Verteidigungsministerium (Department of Defense, DOD) ist für den Betrieb der GPS-Satellitenkonstellation verantwortlich und überwacht die GPS-Satelliten, um den ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen.

Die Orbitalparameter (Ephemeridendaten) jedes Satelliten werden als Teil der in das GPS-Signal eingebetteten Datennachricht an jeden Satelliten gesendet.

Das GPS-Koordinatensystem ist das kartesische, erdzentrierte und erdfeste Koordinatensystem, das im World Geodetic System 1984 (WGS-84) festgelegt ist.

Funktion des GPS-Systems:

Es gibt drei Segmente, die zusammen das Funktionieren des GPS-Systems und die GPS-Ortung ermöglichen:

• Raumsegment – Satelliten
• Kontrollsegment – bodengestützte Überwachung
• Nutzersegment – Flugzeuge (Antennen und Empfänger/Prozessoren)
• Zusammen können diese Segmente die Position des Flugzeugs unter Verwendung des Konzepts der Entfernungsmessung und Triangulation genau bestimmen
• Nutzt Satelliten oberhalb des Maskenwinkels (niedrigster Winkel über dem Horizont, bei dem ein Satellit genutzt werden kann)
• Jeder Satellit sendet einen Kurs/Erfassungscode (CA)
• Die Signale bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von 186.000 Meilen pro Sekunde
• Das Signal enthält auch die Position des Satelliten (Ephemeriden)
• Ein Pseudo-Zufallscode-Timing-Signal und eine Datennachricht, die das Flugzeug verarbeitet, um die Satellitenposition und den Status zu erhalten
• Durch die Kenntnis der Position der einzelnen Satelliten und den Abgleich mit den Atomuhren der Satelliten kann das Flugzeug die Zeit und damit die Position messen.
• Die Überwachung am Boden erfolgt durch 5 Überwachungsstationen, 3 Bodenantennen und eine Hauptkontrollstation.
• Jedes GPS sendet einen spezifischen Code, den sogenannten Course/Acquisition (CA) Code

Der GPS-Empfänger gleicht den CA-Code eines jeden Satelliten mit einer identischen Kopie des Codes in der Datenbank des Empfängers ab. Indem er seine Kopie des Codes in einem Abgleichsprozess verschiebt und diese Verschiebung mit seiner internen Uhr vergleicht, kann der Empfänger berechnen, wie lange das Signal für den Weg vom Satelliten zum Empfänger gebraucht hat.

Messung der GPS-Satellitenentfernung:

Der Empfänger lauscht auf das Signal des Satelliten. Jeder Satellit sendet einen spezifischen Kurserfassungscode an den Empfänger, der Zeit und Standort enthält.

Wenn der Empfänger weiß, wie schnell sich das Signal bewegt (ungefähr Lichtgeschwindigkeit), und die Zeit kennt, zu der es gesendet und empfangen wurde, kann er seine Pseudo-Entfernung bestimmen (d. h. indirekte Entfernungsmessung unter Verwendung der Zeit)

Durch die Messung der Entfernung von mindestens 4 Satelliten kann mit Hilfe der Trilateration eine 3-D-Position ermittelt werden

Trilateration:

Trilateration ist der Vergleich mehrerer Satellitenpositionen, um eine Durchschnittsposition zu ermitteln. Genaues Timing ist wichtig

Korrektur von Fehlern:

Das System wählt automatisch die besten Satelliten aus. Die meisten Fehler lassen sich durch Mathematik und Modellierung ausgleichen. Korrekturen der Bodenantenne (Master Control Station)

Navigationsmodi:

• Auf der Strecke: ± 5 nm (1 Punkt = 1 nm)
• Anflug: ± 1 nm (1 Punkt = 0,2 nm)
• Innerhalb von 2 NM vom FAWP ± 0,3 nm (1 Punkt = 0,06 nm) – fließender Übergang
• Verfehlt = ± 1 NM (wenn vor dem MAWP eingeleitet)
• Wenden sollte erst nach dem MAWP eingeleitet werden.
• Verfügbarkeit und Verlässlichkeit von Navigationssystemen

Status des globalen Satellitennavigationssystems:

Der GNSS-Betriebsstatus hängt von der Art der verwendeten Ausrüstung ab. Bei reinen GPS-Geräten TSO-C129 oder TSOC196() wird der Betriebsstatus der Nichtpräzisionsanflugfähigkeit für Flugplanungszwecke durch ein in den Empfänger integriertes oder separat bereitgestelltes Vorhersageprogramm bereitgestellt.

Schlussfolgerung

Insgesamt bieten GPS-Geräte viele Vorteile. Auch für diejenigen, die es vorziehen, sich von Bildschirmen im Freien fernzuhalten. Diese Technologie ersetzt nicht Fähigkeiten wie das Kartenlesen, sondern ergänzt und bereichert sie.

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Häufig gestellte Fragen

Was ist GPS?

Das Global Positioning System ist ein satellitengestuetztes Funknavigationssystem, das ein Signal aussendet, mit dem Empfaenger die genaue Position weltweit bestimmen. Es funktioniert bei allen Wetterbedingungen, ueberall auf der Welt und 24 Stunden am Tag.

Wie viele Satelliten braucht ein Empfaenger fuer eine Positionsbestimmung?

Fuer eine zweidimensionale Position aus Breiten- und Laengengrad muss ein Empfaenger auf mindestens drei Satelliten ausgerichtet sein. Bei vier oder mehr Satelliten kann er die dreidimensionale Position samt Hoehe bestimmen.

Aus welchen Segmenten besteht das GPS-System?

Das GPS-System besteht aus drei Segmenten: dem Raumsegment mit den Satelliten, dem Kontrollsegment mit der bodengestuetzten Ueberwachung und dem Nutzersegment mit Antennen und Empfaengern. Zusammen bestimmen sie die Position ueber Entfernungsmessung und Triangulation.