Obwohl sie bis vor wenigen Jahren nur im Reich der Science-Fiction existierten, sind Geräte mit GPS-Technologie inzwischen weit verbreitet. Wir verwenden GPS in unseren Autos, unseren Telefonen und unseren Computern. Wir nutzen es, um unsere Kinder zu schützen, Verluste zu vermeiden, die Produktivität zu steigern und sogar die Zeit zu messen.
Hollywood hat viele Missverständnisse über GPS und die globale Positionsbestimmung im Allgemeinen genährt. Es gibt keine Tracker, die so klein wie eine Pille sind, und sie können nicht unter die Haut implantiert werden. Das Größenproblem liegt nicht am Ortungssystem oder den Empfängern selbst. Es geht nur um die Energiequelle. Obwohl die Empfänger so winzig wie ein Fingernagel sein können und die meisten kleiner als eine Vierteldollarmünze sind, konnte die Batterietechnologie nicht mithalten. Ein GPS-Empfänger wie in den Filmen ließe sich also vielleicht herstellen, aber er würde nicht funktionieren. Noch nicht.
Was ist GPS?
GPS steht für Global Positioning System. Das System besteht aus mindestens 24 Satelliten, die die Erde umkreisen. Die Satelliten kommunizieren mit spezialisierten Empfängern am Boden und liefern so die genaue Position der Empfänger. Zum jetzigen Zeitpunkt gibt es 31 betriebsbereite Satelliten in der GPS-Konstellation. Die GPS-Satellitenkonstellation, die 1989 vom US-Militär eingerichtet wurde, sendet ein Signal für den eigenen Gebrauch und ein separates Signal, auf das jeder, der die technischen Möglichkeiten hat, zugreifen kann. Dies hat es den Herstellern ermöglicht, die Technologie in ihre Produkte zu integrieren.
GPS-Satelliten senden ständig ein Signal in Richtung Erde, das ihre exakte Position und die von einer Atomuhr gemessene genaue Zeit enthält. Die Empfänger nehmen diese Übertragungen auf, berechnen, wie lange das Signal gebraucht hat, um sie zu erreichen, und messen dies mit ihrer eigenen internen Uhr. Indem das Gerät ein Signal von mindestens 3 Satelliten aufnimmt, kann es mit Hilfe eines Prozesses namens Trilateration genau herausfinden, wo es sich befindet: “Wenn die Satelliten hier, hier und hier sind, muss ich auch hier sein.” Die einzige Information, die von einem GPS-Satelliten tatsächlich übertragen wird, ist seine Flugbahn, zusammen mit denen aller anderen verwendeten Satelliten, und die genaue Zeit der Übertragung. Der Empfänger verwendet diese Informationen, um seine Position im dreidimensionalen Raum als Koordinatensatz zu berechnen. Wir werden später mehr darüber sprechen, warum dies wichtig ist.
Planare Umlaufbahnen werden so geplant und eingehalten, dass die meisten Gebiete rund um den Globus ständig im Blickfeld von mindestens 4 Satelliten sind. Je mehr Satelliten ein Empfänger im Blickfeld hat, desto genauer kann er seinen Standort bestimmen. Unter idealen Bedingungen kann die Position eines Empfängers bis auf wenige Meter, wenn nicht sogar auf wenige Zentimeter genau berechnet werden. Die Genauigkeit eines GPS-Empfängers kann aufgrund mehrerer Faktoren außerhalb der Abdeckung variieren, wie z. B. Empfindlichkeit, Störquellen und die Art der sichtbaren Satelliten.
Die Satellitenblöcke, aktuell und zukünftig
Derzeit gibt es vier Arten von funktionierenden Satelliten in der GPS-Konstellation, die als Blöcke bezeichnet werden, und ein fünfter ist unterwegs.
unterwegs ist.
Im August 2011 waren noch 10 GPS-Block-IIA-Satelliten im Einsatz. Zwei davon sind bereits seit über 20 Jahren in Betrieb. Sie wurden zwischen November 1990 und November 1997 gestartet, mit einer erwarteten Lebensdauer von 7½ Jahren. Obwohl sie schnell altern, haben die Block-IIA-Satelliten beeindruckende Arbeit geleistet und waren länger im Einsatz, als man erwarten konnte.
Um die alternden Block IIA-Satelliten zu ersetzen, wurde der Block IIR-Satellit von Lockheed Martin entwickelt und 1997 in Betrieb genommen, wobei der letzte 2004 gestartet wurde. Die 12 umlaufenden IIRs sind das Herzstück des heutigen Global Positioning Systems.
Der Start der GPS Block IIR(M)-Satelliten begann 2005. Diese verbesserten Versionen von Block IIR boten eine neue Störsicherheit für militärische Signale und waren die ersten, die auf L2C, einem zweiten zivilen Signal, sendeten. L2C ist für den Einsatz in kommerziellen Anwendungen vorgesehen und verbessert die Genauigkeit für Dual-Frequency-Empfänger. L2C sendet außerdem mit einer höheren Leistung, was eine bessere Signalpenetration in Gebieten mit starker Vegetationsbedeckung und sogar innerhalb von Gebäuden ermöglicht.
Die letzten Satelliten der zweiten Generation von GPS sind als Block IIF bekannt. Der erste wurde 2010 in Betrieb genommen und der zweite wurde 2011 gestartet. Zehn weitere sind geplant, die starten und die ausfallenden Block IIA-Einheiten ersetzen sollen. Die IIF-Serie hat eine längere erwartete Lebensdauer von 12 Jahren und ist in der Lage, auf der Frequenz L5 zu senden, der dritten Frequenz, die für die zivile Nutzung vorgesehen ist. Obwohl sie nur vorläufige Tests durchlaufen hat, wird erwartet, dass sie 2012 den Sendebetrieb aufnimmt. L5 ist für “Safety-of-Life-Transport”-Anwendungen, wie z.B. kommerzielle Fluggesellschaften, vorgesehen. In Verbindung mit den ersten beiden zivilen GPS-Frequenzen soll L5 durch eine Technik, die als “Trilaning” bekannt ist, eine Genauigkeit von weniger als einem Meter ohne jede Art von Verstärkung bieten.
In der Entwicklung befindet sich GPS Block III. Aufgrund von Budgetkürzungen hat sich die Serieneinführung um über drei Jahre verzögert. Laut einem Offiziellen der US Air Force ist das GPS III Programm aktiv mit der Produktion der ersten acht Satelliten beschäftigt und hofft, den ersten dieser Serie irgendwann 2017 starten zu können. Danach sollen die Aufträge für den neunten und zehnten Satelliten vergeben werden, so dass am Ende ein Gesamtblock von zehn Satelliten zur Verfügung steht. Das Ziel von GPS III ist es, ein viertes ziviles GPS-Signal, L1C, hinzuzufügen, das es dem GPS-Netzwerk ermöglicht, mit Satellitennavigationssystemen anderer Regierungen (Russland, Europa und möglicherweise China) zu interagieren, was einen verbesserten Service und eine höhere Genauigkeit weltweit verspricht.