Heute halten wir GPS für selbstverständlich. GPS-Empfänger sind in allen Bereichen erhältlich, von Mobiltelefonen und Laptops bis hin zu Autos, Booten und sogar Ackerschleppern. Dies war jedoch nicht immer der Fall.
Das Global Positioning System GPS wurde 1973 vom US-Verteidigungsministerium DoD entwickelt. Ursprünglich NAVSTAR genannt, sollte es die genauen Standorte von Militärpersonal und -gütern bestimmen.
Die ersten vier GPS-Satelliten wurden 1978 gestartet. Das System wurde jedoch erst am 17. Juli 1995 voll funktionsfähig. Dies lag daran, dass mindestens 24 Satelliten gestartet werden mussten, um eine vollständige Abdeckung des Systems zu gewährleistenGlobus.
Das Militär verwendete GPS, um Ziele bei Luftangriffen zu lokalisieren. Raketen wie die Tomahawk-Marschflugkörper sind mit einem GPS-Empfänger ausgestattet, der die Flugbahn des Flugkörpers während des Flugs ständig berechnet und hoffentlich eine höhere Präzision und einen geringeren Kollateralschaden ermöglicht.
Ein Fudging-Faktor wird hinzugefügt.
Am 1. September 1983 wurde der Flug 007 von Korean Air Lines, eine Boeing 747 mit 269 Personen, abgeschossen, nachdem er in den verbotenen Luftraum der UdSSR abgeirrt war. Als Reaktion auf diese Tragödie erließ Präsident Ronald Reagan eine Exekutivverordnung, die die zivile Nutzung von GPS erlaubte.aber das US-Militär wollte, dass die öffentlich veröffentlichte Version "niedergeschlagen" wird.
Das Verteidigungsministerium hat zwei separate GPS-Dienste erstellt: Standard Positioning Service SPS für die Öffentlichkeit und Precise Positioning Service PPS für das Militär. Der Unterschied zwischen den beiden Systemen bestand darin, dass innerhalb von SPS ein absichtlicher Zufallsfehler namens Selective auftratVerfügbarkeit SA wurde eingefügt. SA verschlechterte die Genauigkeit der GPS-Satelliten um etwa 100 Meter, indem die von den Borduhren der Satelliten gemeldete Zeit geringfügig geändert wurde.
Das Verteidigungsministerium begründete diesen Fudging-Faktor damit, dass es notwendig sei, potenziellen Feinden die volle Leistungsfähigkeit von GPS zu verweigern und die Sicherheitsinteressen der USA und ihrer Verbündeten zu schützen.
Am 1. Mai 2000 beendete Präsident Bill Clinton SA sagt das "Weltweite Verkehrssicherheit, wissenschaftliche und kommerzielle Interessen könnten am besten durch die Einstellung von SA bedient werden."
Zum Zeitpunkt der Aufhebung der selektiven Verfügbarkeit lag die Genauigkeit des GPS-Systems auf 5 Meter. Im Jahr 2018 wurden GPS-Empfänger mit der neuesten L5-Band-Technologie veröffentlicht, mit denen ein Standort mit einer erstaunlichen Genauigkeit von 11,8 genau bestimmt werden kann30 cm Zoll. H High-End-Benutzer können die GPS-Genauigkeit durch die Verwendung von Zweifrequenzempfängern oder Augmentationssystemen verbessern. Diese können eine Echtzeitpositionierung auf wenige Zentimeter und Langzeitmessungen im Millimeterbereich ermöglichen.
Das US-Militär behält die Befugnis, GPS-Signale selektiv abzulehnen, wie dies 1999 während des Kargil-Krieges beim indischen Militär der Fall war. Dieser Schriftsteller erlebte persönlich einen GPS-Ausfall, als er gleichzeitig mit dem Papst auf Straßen in Nord-Virginia navigiertelandete am nahe gelegenen Reagan National Airport.
Andere Länder entwickeln ihre eigenen Systeme
Da die USA den GPS-Dienst selektiv verweigern können, haben andere Länder entweder ihre eigenen globalen Satellitennavigationssysteme GSNS entwickelt oder sind dabei, diese zu entwickeln. Russland hat seine entwickelt. Globales Navigationssatellitensystem GLONASS zur gleichen Zeit, als die USA GPS entwickelten. GLONASS war jedoch erst Mitte der 2000er Jahre in der Lage, den Globus vollständig abzudecken.
Sie können vielen GPS-Geräten GLONASS hinzufügen, und dieser Zugriff auf zusätzliche Satelliten ermöglicht die Lokalisierung von Orten innerhalb von 2 Metern. China hat damit begonnen. BeiDou Navigationssatellitensystem im Jahr 2018 und die vollständige Bereitstellung im Jahr 2020 abgeschlossen.
Die Europäische Union stellt die Galileo Positionierungssystem, Indien hat die NavIC System und Japans Quasi-Zenith-Satellitensystem QZSS verbessert die Genauigkeit von GPS in der Region Asien-Ozeanien. Japan soll bis 2023 über ein eigenes, von GPS unabhängiges System verfügen.
Wie GPS funktioniert
Jeder GPS-Satellit zeichnet seine Position und Zeit genau auf und überträgt diese Daten an GPS-Empfänger. GPS-Satelliten tragen sehr genaue Atomuhren, die die Zeit entsprechend den Schwingungen der Atome halten.
Da die Geschwindigkeit der Funkwellen konstant und unabhängig von der Geschwindigkeit eines Satelliten ist, ist die Zeitdifferenz zwischen dem Senden eines Signals durch einen Satelliten und dem Empfang dieses Signals durch einen Empfänger proportional zur Entfernung zwischen dem Satelliten und dem Empfänger.
GPS-Satelliten umkreisen in einer Höhe von ungefähr 20.200 km und sind so angeordnet, dass sich mindestens vier Satelliten von überall auf der Erdoberfläche in Sichtweite befinden. Der Winkeldifferenz zwischen GPS-Satelliten in jeder Umlaufbahn beträgt 30 °.105 °, 120 ° und 105 ° voneinander entfernt, was 360 ° ergibt.
GPS erfordert nicht, dass ein Benutzer Daten überträgt, und funktioniert unabhängig von Telefon- oder Internetempfang. Sowohl Telefon- als auch Internet-Apps können jedoch die Nützlichkeit von GPS-Positionsdaten verbessern.
GPS basiert auf vier Konzepten: Trilateration, Entfernungsmessung, Atomuhren und Differential-GPS. Wir werden uns jedes einzelne ansehen.
Trilateration
Derzeit umkreisen 31 GPS-Satelliten die Erde zweimal täglich, 27 sind betriebsbereit und vier sind Backups. Diese erweiterte Satellitenkonstellation ermöglicht es, dass neun Satelliten jederzeit von jedem Punkt der Erde aus sichtbar sind.
Ein einzelner Satellit liefert eine wichtige Information: die Entfernung zwischen diesem Satelliten und dem GPS-Empfänger. Wenn wir diese Entfernung nennen D jeder Punkt innerhalb eines kreisförmigen Gebiets auf der Erde, der Entfernung ist D Vom Satelliten aus kann sich der GPS-Empfänger befinden.
Angenommen, Sie stehen in der Wüste von Nevada und Ihr GPS-Empfänger, der mit Satellit Nr. 1 kommuniziert, bringt Sie innerhalb von 241 km von Las Vegas. Sie können sich in der Abbildung unten an einer beliebigen Stelle innerhalb des Kreises befinden.
Angenommen, Ihr GPS-Empfänger kommuniziert auch mit Satellit Nr. 2, und dieser Satellit zeigt an, dass Sie 150 Meilen von Los Angeles entfernt sind. Wir wissen jetzt, dass sich Ihr Standort irgendwo in dem Bereich befindet, in dem sich die beiden Kreise treffen, wenn IhrDer GPS-Empfänger, der mit Satellit Nr. 3 kommuniziert, bringt Sie innerhalb von 100 Meilen von Fresno, Kalifornien. Wir können Sie lokalisieren. auf der ebenen Fläche von der Erde auf Teleskopspitze im Death Valley National Park.
Die Erde ist weder gleichmäßig eben noch eine perfekte Kugel, und das bedeutet, dass wir eine vierte Information benötigen, um Sie genau zu lokalisieren - Ihre Höhe. Informationen von Satellit Nr. 4 bringen Sie auf 11.043 Fuß 3.366 m über dem Meeresspiegel, und da wir die Höhe des Teleskopgipfels nachschlagen können, wissen wir jetzt, dass Sie auf dem Gipfel des Berges stehen.
Entfernungsmessung
Die wichtigste Information, die von einem Satelliten kommt, ist die genaue Entfernung zwischen diesem Satelliten und einem GPS-Empfänger. GPS-Satelliten streamen kontinuierlich ein digitales Funksignal, das sowohl ihre Position als auch ihre genaue Zeit enthält.
Der GPS-Empfänger subtrahiert dann seine genaue Zeit von der vom Satelliten gesendeten Zeit und löst nach x In der folgenden Gleichung kann der Empfänger die genaue Entfernung vom Satelliten berechnen :
186.000 Meilen / 1 Stunde = x / berechnete Zeit
wo 186.000 Meilen pro Stunde ungefähr 300 Millionen Meter pro Sekunde ist die Geschwindigkeit von Licht- und Radiowellen. Wenn wir die Genauigkeit der Zeitdifferenzmessung erhöhen, erhöhen wir auch die Genauigkeit der Entfernungsmessung.
Differential GPS
Differential GPS oder DGPS wurde erstellt, um den durch Selective Availability verursachten Fehler zu überwinden. Es wurde erstmals in Flugzeugen verwendet. DGPS wird auch heute noch verwendet, obwohl SA eingestellt wurde, und es funktioniert, indem GPS-Empfänger an bekannten Stellen platziert werdenStandorte auf der ganzen Welt. Diese Empfänger vergleichen ständig ihre bekannten Standorte mit den Informationen, die sie von den GPS-Satelliten erhalten. Wenn Unstimmigkeiten bestehen, werden diese Informationen an andere DGPS-fähige GPS-Geräte weitergeleitet.
Wenn Ihr GPS-Empfänger DGPS-fähig ist, passt er seine Berechnungen basierend auf den von den DGPS-Stationen berechneten Stromdifferenzen an.
GPS verwendet heute
Heute wird das GPS-System vom neuen betrieben United States Space Force und wir verlassen uns mehr denn je darauf. Viele von uns würden es tun wörtlich verloren ohne Turn-by-Turn-GPS-Navigation.
GPS-Empfänger an Traktoren werden von Landwirten verwendet, um ihre Felder autonom zu bestellen, zu pflanzen, zu wässern, zu besprühen und zu ernten. Geologen, Vermesser, Speditionen, Flugpiloten, Schiffskapitäne, Telekommunikationsanbieter, Ersthelfer, Strafverfolgungsbehörden und BergleuteVerlassen Sie sich täglich auf GPS.
GPS wird verwendet, um Ihren Hund in Ihrem Garten zu halten und um verlorene Haustiere lokalisieren , bis Wilderer von Meeresschildkröteneiern fangen und zu Karte des Meeresbodens .
Die Mathematikerin Gladys West entwickelte die für die Erfassung von Satellitenpositionen erforderlichen Computertechniken mit der für GPS erforderlichen Präzision. Am 6. Dezember 2018 wurde sie in die Hall of Fame der Luftwaffen-Weltraum- und Raketenpioniere aufgenommen.