Das von uns verwendete Global Positioning System, auch NavStar genannt, wurde vom US-Militär entwickelt und ist seit 1995 voll funktionsfähig. Viele moderne GPS-Empfänger verwenden eine Kombination aus GPS- und russischen GLONASS-Satelliten, um die Abdeckung und Genauigkeit zu verbessern.
Das GPS-System verfügt derzeit über 31 aktive Satelliten in Umlaufbahnen, die um 55 Grad zum Äquator geneigt sind. Die Satelliten umkreisen etwa 20.000 km von der Erdoberfläche und machen zwei Umlaufbahnen pro Tag. Die Umlaufbahnen sind so ausgelegt, dass von den meisten Orten der Erde aus immer 6 Satelliten im Blick sind.
GPS verwendet eine Menge komplexer Technologie, aber das Konzept ist einfach.
Der GPS-Empfänger empfängt von jedem GPS-Satelliten ein Signal. Die Satelliten senden genau die Zeit, zu der die Signale gesendet werden. Durch Subtrahieren der Zeit, zu der das Signal gesendet wurde, von der Zeit, zu der es empfangen wurde, kann das GPS erkennen, wie weit es von jedem Satelliten entfernt ist. Der GPS-Empfänger kennt auch die genaue Position der Satelliten am Himmel, sobald sie ihre Signale senden. Anhand der Laufzeit der GPS-Signale von drei Satelliten und ihrer genauen Position am Himmel kann der GPS-Empfänger Ihre Position in drei Dimensionen bestimmen – Ost, Nord und Höhe.
Es gibt eine Komplikation. Um die Zeit zu berechnen, die die GPS-Signale benötigt haben, muss der GPS-Empfänger die Zeit sehr genau kennen. Die GPS-Satelliten verfügen über Atomuhren, die eine sehr genaue Uhrzeit anzeigen, es ist jedoch nicht möglich, einen GPS-Empfänger mit einer Atomuhr auszustatten. Wenn der GPS-Empfänger jedoch das Signal eines vierten Satelliten verwendet, kann er eine Gleichung lösen, mit der er die genaue Zeit bestimmen kann, ohne eine Atomuhr zu benötigen.
Wenn der GPS-Empfänger nur Signale von 3 Satelliten empfangen kann, können Sie Ihre Position zwar immer noch ermitteln, sie ist jedoch ungenauer. Wie bereits erwähnt, benötigt der GPS-Empfänger 4 Satelliten, um Ihre Position dreidimensional zu bestimmen. Wenn nur 3 Satelliten verfügbar sind, kann der GPS-Empfänger eine ungefähre Position ermitteln, indem er davon ausgeht, dass Sie sich auf mittlerem Meeresspiegel befinden. Wenn Sie sich wirklich auf mittlerem Meeresspiegel befinden, ist die Position ziemlich genau. Wenn Sie sich jedoch in den Bergen befinden, kann der 2D-Fix Hunderte von Metern entfernt sein.
Ein moderner GPS-Empfänger verfolgt normalerweise alle verfügbaren Satelliten gleichzeitig, aber nur eine Auswahl davon wird zur Berechnung Ihrer Position verwendet.
Standortermittlung per GPS
Um den Standort der GPS-Satelliten zu bestimmen, benötigt der GPS-Empfänger zwei Arten von Daten: den Almanach und die Ephemeride. Diese Daten werden kontinuierlich von den GPS-Satelliten übertragen und Ihr GPS-Empfänger sammelt und speichert diese Daten.
Der Almanach enthält Informationen über den Status der Satelliten und ungefähre Umlaufbahninformationen. Der GPS-Empfänger berechnet anhand des Almanachs, welche Satelliten derzeit sichtbar sind. Der Almanach ist nicht genau genug, um den GPS-Empfänger zu reparieren. Wenn der GPS-Empfänger neu ist oder längere Zeit nicht verwendet wurde, kann es ungefähr 15 Minuten dauern, bis ein aktueller Almanach empfangen wird. Bei älteren GPS-Empfängern ist ein Almanach erforderlich, um die Satelliten zu erfassen, aber viele neuere Modelle können die Satelliten erfassen, ohne auf den Almanach zu warten.
Um eine Lösung zu finden, benötigt Ihr GPS-Empfänger zusätzliche Daten für jeden Satelliten, die so genannte Ephemeride. Diese Daten liefern sehr genaue Informationen über die Umlaufbahn jedes Satelliten. Ihr GPS-Empfänger kann die Ephemeridendaten verwenden, um die Position eines Satelliten mit ein oder zwei Metern zu berechnen. Die Ephemeride wird alle 2 Stunden aktualisiert und ist normalerweise 4 Stunden lang gültig. Wenn Ihr GPS-Empfänger für eine Weile ausgeschaltet war, kann es einige Minuten dauern, bis die Ephemeridendaten von jedem Satelliten empfangen werden, bevor eine Lösung gefunden werden kann.
Ihr GPS verfügt über einen Bildschirm wie rechts, auf dem angezeigt wird, welche Satelliten verwendet werden. Die Balkendiagramme zeigen die Stärke der Satelliten, die das GPS erfasst hat. Wenn der Balken hohl ist, lädt das GPS immer noch die Ephemeride herunter. Das kreisförmige Diagramm zeigt die Position der Satelliten am Himmel – der Mittelpunkt des Kreises ist oben.
GPS Starten
Wenn Sie das GPS einschalten, hängt die Zeit bis zur ersten Korrektur davon ab, wie lange es her ist, seit Sie das GPS das letzte Mal verwendet haben. Um eine Fehlerbehebung zu erhalten, benötigt der GPS-Empfänger einen gültigen Almanach, Anfangsstandort, Uhrzeit und Ephemeridendaten.
Die Begriffe „Kalt- / Warm- / Warmstart“ geben an, über wie viele dieser Daten der GPS-Empfänger bereits verfügt. Die Begriffe bedeuten verschiedene Dinge für verschiedene GPS-Hersteller.
Kaltstart – Wenn das GPS längere Zeit nicht benutzt wurde und / oder mehrere hundert Kilometer zurückgelegt wurde, dauert es einige Zeit, bis die erste Lösung gefunden wurde. In diesem Zustand verfügt der GPS-Empfänger nicht über einen aktuellen Almanach, eine aktuelle Ephemeride, eine aktuelle Anfangsposition oder eine aktuelle Uhrzeit. Ältere GPS-Geräte benötigen möglicherweise bis zu einer Stunde, um nach Satelliten zu suchen, die Almanach- und Ephemeridendaten herunterzuladen und eine Anfangsposition zu ermitteln. Neuere GPS-Geräte benötigen jedoch möglicherweise weniger.
Wenn sich der GPS-Empfänger mehrere hundert Kilometer bewegt hat, sind seine Annahmen über die zu verwendenden Satelliten falsch und er muss nach ihnen suchen. Bei den meisten Geräten können Sie einen ungefähren Ort eingeben, um den Vorgang zu beschleunigen.
Warmstart – aktueller Almanach, Anfangsposition und Uhrzeit sind gültig. Ephemeridendaten sind entweder ungültig oder nur teilweise gültig. Abhängig von der Verfügbarkeit des Satelliten und dem Typ des GPS-Empfängers beträgt die Zeit bis zur ersten Fehlerbehebung wahrscheinlich 30 Sekunden bis 2 Minuten.
Hot-Start – Wenn der Receiver beispielsweise weniger als eine Stunde vor dem ersten Fix ausgeschaltet war, beträgt die Zeitspanne zwischen 5 und 20 Sekunden.
Was bedeutet das alles in der Praxis?
Wenn das GPS kürzlich verwendet wurde, sollten Sie fast sofort eine Lösung finden. Wenn dies nicht der Fall ist, stellen Sie das GPS bei freiem Blick auf den Himmel nach draußen und trinken Sie eine Tasse Tee.
Wenn Sie ein GPS in einem Fahrzeug haben, ist es besser zu warten, bis das Gerät eine Reparatur erhalten hat, bevor Sie losfahren. Das Empfangen von Ephemeridendaten für einen Satelliten dauert 30 Sekunden. Wenn Sie das Signal während dieser Zeit vorübergehend unterbrechen, kann es bis zu einer Minute länger dauern, bis die Ephemeride für diesen Satelliten ermittelt ist, da er neu gestartet werden muss. Wenn Sie in einem Gebiet mit hohen Gebäuden oder anderen Hindernissen fahren, kann es lange dauern, bis die für die erste Korrektur erforderlichen Ephemeridendaten für vier Satelliten vorliegen.
Genauigkeit von GPS
Die Genauigkeit der Position, die Ihr GPS meldet, wird durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst, wie z. B. die Position der Satelliten am Himmel, atmosphärische Effekte, Satellitenuhrfehler und Ephemeridenfehler usw.
GPS-Einheiten zeigen häufig auf dem Bildschirm eine Genauigkeitszahl, z. EPE für Garmin-Einheiten. Unter idealen Bedingungen können dies 5 oder sogar 3 Meter sein. Die Hersteller sind sich nicht sicher, wie genau diese Zahl ermittelt wird, und es wäre unklug, diese Zahl wörtlich zu nehmen.
Eine realistischere Darstellung erhalten Sie im Abschnitt mit den technischen Daten Ihres GPS-Empfängers. In der Regel befinden sich mit einem Handheld-GPS 95% der horizontalen GPS-Positionen innerhalb von 10 Metern von ihrer tatsächlichen Position. Der Höhenfehler wird wahrscheinlich mindestens doppelt so hoch sein wie der horizontale Fehler.
Die Genauigkeit eines GPS kann durch Verwendung von Sekundärdaten von externen Referenzstationen verbessert werden.
Viele Consumer-GPS-Geräte verfügen über eine WAAS-Option. WAAS verwendet ein Netzwerk von bodengestützten Referenzstationen. Ablesungen von den Referenzstationen werden verwendet, um einige der oben erwähnten Fehlerquellen zu korrigieren. Die Korrekturdaten werden an geostationäre WAAS-Satelliten gesendet, die sie an WAAS-fähige GPS-Empfänger zurücksenden, um die Positionsgenauigkeit zu verbessern. WAAS ist in Neuseeland nicht verfügbar.
Das Differential Global Positioning System (DGPS) ist ein ähnliches System. Die Daten von Bodenreferenzstationen werden über Langwellenradio, UKW-Radio oder sogar über Mobiltelefone an das GPS übertragen.
Wie viele Satelliten werden für einen Fix benötigt?
Sie benötigen 3 GPS-Satelliten für einen 2D-Fix (d. H. Keine Höhe) oder 4 Satelliten für einen 3D-Fix.
A-GPS
Haben Sie bemerkt, wie Handy-GPS-Geräte fast sofort eine Lösung finden? Sie verwenden Assisted GPS (A-GPS), um die Zeit bis zur ersten Fehlerbehebung zu verkürzen oder sogar eine Fehlerbehebung in Situationen zu ermöglichen, in denen das GPS ansonsten möglicherweise nicht funktioniert.
Das A-GPS-Gerät verwendet eine Datenverbindung (z. B. 3G auf einem Mobiltelefon), um einen Assistenzserver zu kontaktieren. Der Server kann Almanach- und Ephemeridendaten bereitstellen, sodass das GPS nicht auf den Empfang der Daten von den Satelliten warten muss. Der Server kann auch einen ungefähren Standort senden, der von Mobiltelefontürmen abgeleitet ist, was eine sofortige Korrektur ermöglicht. In einigen Fällen sendet das A-GPS-Gerät möglicherweise unvollständige GPS-Daten zur Verarbeitung zu einem Fix an den Server.
Sobald Sie keine Mobilfunk- und WiFi-Versorgung mehr haben, muss sich ein GPS-Gerät für Mobiltelefone auf die Satelliten verlassen, um das Ephemeriden- und Almanach-Datum zu liefern. Wie bei einem herkömmlichen Freizeit-GPS dauert es also 1 bis 2 Minuten, bis ein Kaltstart erfolgreich war.
