GPS ist zu einem allgemeinen Begriff geworden, der in der Navigations- und Kartierungsbranche verwendet wird. Wenn Leute GPS erwähnen, fällt einem sofort die Fähigkeit ein, den Standort von Objekten zu verfolgen oder die Richtung eines Ortes zu bestimmen, was sehr genau ist.
GPS oder Global Positioning System ist ein Funknavigationssystem, das auf Satellitensystemen basiert, die Benutzern Positions-, Navigations- und Zeitinformationen bereitstellen, indem sie Impulse an einen erdgebundenen Empfänger senden. GPS war ursprünglich als NAVSTAR bekannt und ist eine Konstellation von Satelliten, die den Vereinigten Staaten gehören. Es wird von der US-Raumfahrtwaffe betrieben und war ursprünglich für militärische Zwecke reserviert, wurde aber jetzt für kommerzielle und zivile Zwecke verfügbar gemacht.
Das Global Positioning System arbeitet auf Basis von Satelliten, die die Erde umkreisen. Es besteht aus 31 gut platzierten Satelliten, die es Benutzern mit Sensoren und Empfängern ermöglichen, den genauen Standort zu bestimmen, wenn sie sich in Sichtweite von mindestens drei dieser umlaufenden Satelliten befinden.
Wie funktioniert GPS?
GPS funktioniert durch Kommunikation zwischen seinen verschiedenen Komponenten, ähnlich wie GLONASS-, BeiDou- und Galileo-Satelliten. Das Global Positioning System (GPS) besteht aus drei Teilen oder Elementen. Diese Komponenten arbeiten zusammen, um sicherzustellen, dass die gesendeten Navigations-, Zeit- und Positionsinformationen durchgehend korrekt sind. Die Teile sind das Raumsegment, das Steuersegment und die Empfänger.
1. Leerzeichensegment
Diese GPS-Komponente besteht aus einer Konstellation von 31 Satelliten, die in einer bestimmten Umlaufbahn um die Erde kreisen. Sie befinden sich in einer Höhe von 20.000 Kilometern über dem Planeten und jeder von ihnen sendet kontinuierlich Mikrowellensignale aus, die von den voreingestellten Empfängern erfasst werden. Jeder Satellit hat eingebaute Atomuhren – exakte und genaue Uhren – die die Satelliten synchron halten und mit erdgebundenen Uhren synchronisieren.
2. Steuersegment
Das Steuersegment wird auch als Bodensegment bezeichnet. Diese Komponente des globalen Positionsbestimmungssystems ist einer Turmstation sehr ähnlich. Das Kontrollsegment ist für die Verwaltung und Sicherstellung der ordnungsgemäßen Funktionalität der Satelliten verantwortlich.
Das Kontrollsegment umfasst eine Hauptkontrollstation, eine Backup-Hauptkontrollstation, mehrere Kommandoantennen, Kontrollantennen und Überwachungsstellen. Zu den kritischen Funktionen der Bodensegmente gehören die Verfolgung von Satellitenbewegungen, die Durchführung von Analysen, die Überwachung von Satellitenübertragungen und die Kommunikation mit dem Satelliten, um sicherzustellen, dass die von den Satelliten an die Empfänger übertragenen Informationen so genau wie möglich sind.
3. Empfänger oder Nutzersegment
Empfänger sind die dritte und häufigste Komponente des GPS. Sie sind in praktisch allen Smartphones und Trackern in alltäglichen Geräten eingebettet. Ihre Anwendung erstreckt sich über mehrere Branchen, von Transport und Luftfahrt bis hin zu Militär, Automobil und IoT. GPS-Empfänger bestehen aus einer Antenne und einem Prozessor.
Die Antenne ist so abgestimmt, dass sie die Frequenz von Wellensignalen aufnimmt, die von Satelliten gesendet werden. Gleichzeitig verwendet der Prozessor eine Methode, die als Trilateration bekannt ist, um die Informationen zu dekodieren und zu interpretieren. Empfänger haben auch eine Uhr, die die Zeit aufzeichnet, zu der ein Signal erkannt wurde. Empfänger sind in verschiedenen Größen erhältlich und können so klein sein wie die in Mobiltelefonen.
Wie funktionieren Empfänger in GPS?
Ein GPS-Empfänger kann nur funktionieren, wenn er sich in Sichtlinie von mindestens drei Satelliten befindet. Aus diesem Grund sind GPS-Geräte weniger genau, wenn sie in Innenräumen verwendet werden. Jeder Satellit sendet ein Signal, das mit dem Standort des Satelliten zum Zeitpunkt der Übertragung und als er das Signal gesendet hat, verschlüsselt ist. Ein Empfänger verwendet den Standort von drei Satelliten, die Signale an denselben Empfänger senden, und die Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt der Signalübertragung und dem Zeitpunkt, an dem es empfangen wurde.
Anschließend bestimmt es mit einer mathematischen Gleichung die Entfernung der Satelliten von ihm und untereinander und leitet daraus über Breiten- und Längenkoordinaten seinen Standort ab. Mit dem vierten Satelliten kann der Empfänger die Genauigkeit der von ihm gelieferten Informationen überprüfen und somit die Notwendigkeit einer Atomuhr vermeiden.