Wie funktioniert GPS?

Das Global Positioning System (GPS) ist entscheidend für die Nutzung vieler unserer Technologien. GPS ermöglicht es uns, genaue Wegbeschreibungen während der Fahrt zu erhalten, hilft Notfallhelfern, Anrufer schnell zu finden, verfolgt, wie weit wir während eines Trainings gegangen sind, und vieles mehr. Aber trotz der Tatsache, wie allgegenwärtig GPS geworden ist und wie wichtig es für so viele Technologien ist, die wir für selbstverständlich gehalten haben, wurde mir klar, dass ich nicht antworten konnte, wie funktioniert GPS?

Auf hohem Niveau dachte ich, ich würde verstehen, wie ein GPS Sender funktioniert. Satelliten übertragen ihre Position, und mit drei von ihnen können Sie für Ihren eigenen Standort im 3D-Raum lösen. So funktioniert GPS, oder?

Es stellte sich heraus, dass ich falsch lag, also hier ist, wie GPS funktioniert und 6 Dinge, die Sie wahrscheinlich nicht wussten.

1) GPS ist nicht einzigartig.

GPS ist nur eines von mehreren weltraumgestützten Funknavigationssystemen. Russland hat sein GLONASS-System, die Europäische Union hat sein Galileo-System und China sein BeiDou-System.

Das russische GLONASS ist jedoch das einzige andere System, das eine globale Abdeckung bietet, allerdings etwas weniger genau als GPS. Es wird erwartet, dass das Galileo-System bis 2019 die globale Betriebskapazität erreicht und BeiDou bis 2020.

Weltraumgestützte Funknavigationssysteme sind für die meisten militärischen Anwendungen unerlässlich, so dass die Länder nicht von einem anderen Land abhängig sein wollen, wenn es zu Feindseligkeiten kommt. Das indische Militär lernte dies 1999 während des Kargil-Krieges auf die harte Tour, als ihnen selektiv der Zugang verweigert wurde. Von wem fragst du?

 

2) Die US-Regierung besitzt und betreibt GPS.

Wie viele moderne Technologien wurde auch GPS im Kalten Krieg aus dem Militär geboren. Nukleare Abschreckung war der Name des Spiels, was die Fähigkeit bedeutete, Atomwaffen in der Heimat des Feindes zu starten.

Atom-U-Boote können sich heimlich einer Küste nähern, nahe genug, um eine ballistische Rakete mit einem U-Boot ins Festland zu schießen. Um eine ballistische Rakete jedoch genau von einem U-Boot aus abfeuern zu können, ist es wichtig, dass Sie genau wissen, wo sich dieses U-Boot befindet. GPS war damit als besseres Navigationssystem für diese unterseeischen ballistischen Raketen gedacht.

Obwohl der Kalte Krieg vier Jahre vor dem Zusammenbruch der Sowjetunion zu Ende gegangen war, nahm GPS 1995 seine volle Arbeit auf. Zunächst war das qualitativ hochwertigste Signal für den militärischen Einsatz reserviert, aber im Jahr 2000 wurde GPS als nationale Ressource der Öffentlichkeit frei zugänglich gemacht.

3) Es gibt derzeit 32 GPS-Satelliten im Orbit.

Um eine globale Abdeckung für GPS zu erreichen, sind 24 Satelliten erforderlich. Der erste der 24 wurde 1989 und der 24. 1994 gestartet.

GPS-Satelliten halten nur etwa 10 Jahre und müssen oft während ihrer Lebensdauer gewartet werden, weshalb sich derzeit 32 GPS-Satelliten im Orbit befinden. Die zusätzlichen Satelliten füllen die Lücken, wenn die 24 Kernsatelliten gewartet oder außer Betrieb genommen werden müssen, so dass die Abdeckung erhalten bleibt.

Aber warum werden überhaupt 24 Satelliten benötigt?

 

4) Sie benötigen mindestens 4 GPS-Satelliten in Sichtlinie.

Die Verwendung einer Konstellation von 24 GPS-Satelliten stellt sicher, dass sich mindestens 4 Satelliten jederzeit in Sichtlinie zu jedem Ort der Erde befinden.

Wie funktioniert GPS? – Sie benötigen 4 GPS-Satelliten in der Standortlinie.
Bildnachweis: 7Axibel
Die magische Zahl ist 4, weil das GPS Ihre genaue Position berechnet. Jeder Satellit sendet ein Signal aus, das 1) die genaue Zeit, zu der das Signal gesendet wird, und 2) die genaue Position des Satelliten in Bezug auf das Zentrum der Erde beinhaltet.

Wir wissen, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, so dass die Zeit, die benötigt wird, bis das Signal eines GPS-Satelliten Sie erreicht, multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit, die Entfernung zwischen Ihnen und dem Satelliten ist. Wir kennen auch die Positionen der einzelnen Satelliten, so dass wir durch eine kleine Geometrie die Satellitenpositionen und die bekannten Entfernungen nutzen können, um unseren eigenen Standort zu bestimmen.

“Aber warte”, sagst du, “wenn ich mich an meine High-School-Mathematik erinnere, brauchst du nur drei Gleichungen, um für drei Unbekannte zu lösen. Warum brauchen wir einen vierten Satelliten?”

Das liegt daran, dass es eine vierte Unbekannte gibt. Wir wissen nicht genau, wann das Signal benötigt wurde, um von den Satelliten zu Ihnen zu gelangen. Deshalb…..

 

5) GPS muss die allgemeine Relativität berücksichtigen.

Nach Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vergeht die Zeit bei Objekten, die weiter von den Gravitationsquellen entfernt sind, schneller. Da Satelliten weiter von der Erde entfernt sind, laufen ihre Borduhren 38 Mikrosekunden pro Tag schneller als die Uhren auf der Erdoberfläche.
Ohne Korrekturen würde dies bedeuten, dass GPS-Positionen um bis zu 6 Meilen pro Tag verschoben würden.

Die vierte unbekannte Variable ist also die Zeitabweichung von den Atomuhren auf den GPS-Satelliten. Aus diesem Grund werden 4 Satelliten benötigt, um den genauen Standort zu bestimmen. Einer der Vorteile dieses Systems ist jedoch, dass…..

 

6) GPS ist nicht nur für die Standortbestimmung geeignet.

Die Genauigkeit von GPS-Zeitsignalen liegt innerhalb von 10 Milliardstel Sekunden, was nur von Atomuhren selbst übertroffen wird. So wird GPS auch zur exakten Zeitbestimmung eingesetzt, was bei zeitkritischen Anwendungen sehr wichtig ist.

Unsere Mobilfunknetze, Bankensysteme, Finanzmärkte und Stromnetze sind alle stark von GPS für eine präzise Zeitsynchronisation abhängig. Im Kommunikationsbereich ermöglicht das GPS-Timing synchronisierte Anrufweiterleitungen. Im Finanzsektor ermöglicht GPS-Timing die genaue Zeitstempelung von Finanztransaktionen.

GPS und das Internet der Dinge
Die präzise Ortung und Timing-Fähigkeit von GPS ist ein entscheidender Faktor für viele IoT-Anwendungen. Von der Präzisionslandwirtschaft über automatisierte Fahrzeuge bis hin zur Flottenverfolgung, zum Smart Mining und vielem mehr.

Hoffentlich können Sie jetzt antworten: “Wie funktioniert GPS?” und wissen ein wenig mehr über diese erstaunliche Technologie, die schnell zu einem notwendigen und allgegenwärtigen Bestandteil unseres täglichen Lebens geworden ist.

 

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