Systembeschreibung GPS
Das Global Positioning System (GPS) ist ein satellitengestütztes
System zur Radioortung, Navigation und Zeitübertragung. Dieses System
wurde vom Verteidigungsministerium der USA (US Departement Of Defense)
installiert und arbeitet mit zwei Genauigkeitsklassen: den Standard
Positioning Services (SPS) und den Precise Positioning Services (PPS).
Die Struktur der gesendeten Daten des SPS ist veröffentlicht und der
Empfang zur allgemeinen Nutzung freigegeben worden, während die Zeit-
und Navigationsdaten des noch genaueren PPS verschlüsselt gesendet
werden und daher nur bestimmten (meist militärischen) Anwendern
zugänglich sind.
Das Prinzip der Orts- und Zeitbestimmung mit Hilfe eines
GPS-Empfängers beruht auf einer möglichst genauen Messung der
Signallaufzeit von den einzelnen Satelliten zum Empfänger. 21 aktive
GPS-Satelliten und drei zusätzliche Reservesatelliten umkreisen die Erde
auf sechs Orbitalbahnen in 20000 km Höhe einmal in ca. 12 Stunden.
Dadurch wird sichergestellt, daß zu jeder Zeit an jedem Punkt der Erde
mindestens vier Satelliten in Sicht sind. Vier Satelliten müssen
zugleich zu empfangen sein, damit der Empfänger seine Position im Raum
(x, y, z) und die Abweichung seiner Uhr von der GPS-Systemzeit ermitteln
kann.
Kontrollstationen auf der Erde vermessen die Bahnen der Satelliten
und registrieren die Abweichungen der an Bord mitgeführten Atomuhren von
der GPS-Systemzeit. Die ermittelten Daten werden zu den Satelliten
hinaufgefunkt und von diesen als Navigationsdaten wieder zurück zur Erde
gesendet. Die hochpräzisen Bahndaten der Satelliten, genannt
Ephemeriden, werden benötigt, damit der Empfänger zu jeder Zeit die
genaue Position der Satelliten im Raum berechnen kann. Ein Satz
Bahndaten mit reduzierter Genauigkeit wird Almanach genannt. Mit Hilfe
der Almanachs berechnet der Empfänger bei ungefähr bekannter Position
und Zeit, welche der Satelliten vom Standort aus über dem Horizont
sichtbar sind. Jeder der Satelliten sendet seine eigenen Ephemeriden
sowie die Almanachs aller existierender Satelliten aus.
Die GPS-Systemzeit ist eine lineare Zeitskala, die bei Inbetriebnahme
des Satellitensystems im Jahre 1980 mit der internationalen Zeitskala
UTC gleichgesetzt wurde. Seit dieser Zeit wurden jedoch in der UTC-Zeit
mehrfach Schaltsekunden eingefügt, um die UTC-Zeit der Änderung der
Erddrehung anzupassen. Aus diesem Grund unterscheidet sich heute die
GPS-Systemzeit um eine ganze Anzahl Sekunden von der UTC-Zeit. Die
Anzahl der Differenzsekunden ist jedoch im Datenstrom der Satelliten
enthalten, so daß der Empfänger intern synchron zur internationalen
Zeitskala UTC laufen kann. Umrechnung der UTC-Zeit in die Ortszeit sowie
Bestimmung von Beginn und Ende der Sommerzeit werden vom Mikroprozessor
des Empfängers ausgeführt, da die dazu benötigten Informationen nicht im
Datenstrom der Satelliten enthalten sind.
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