Wie funktioniert GPS?

Historisch gesehen wurde das zu wissen, wo Sie auf der Oberfläche der Erde sind ein sehr schwieriges Problem zu lösen. Finden eine genaue Position ohne Wahrzeichen wurde eine Angelegenheit der Dead-Reckoning, astral Navigation und komplexe Berechnungen von Längen- und Breitengrad. Aber mit der Einführung des GPS (Global Positioning System) und billige Consumer-Empfänger-Chips in der Vergangenheit Jahrzehnten wissen genau, wo Sie sind ist eine einfache Tatsache des Lebens geworden. GPS hat auch die Schifffahrt und Luftfahrtindustrie, Militäroperationen und Wissenschaft revolutioniert.

GPS basiert auf einem Netz von Satelliten, die Erde in einer Entfernung von 16.500 Meilen umkreisen. Es gibt Dutzende solcher Satelliten im Orbit. Jeder Satellit weiß, wo es ist und sendet ein konstantes Signal welches von Empfängern in andere GPS-Geräte, Smartphones und saß Navs abgeholt wird. Das Signal besteht aus dem orbital Position des Satelliten (bekannt als die Ephemeriden), die Position und den Zustand der anderen Satelliten im Netzwerk (Almanach) und die Zeit, die die Nachricht gesendet wurde.

Wenn Sie ein GPS-Gerät verwenden, ist Ihnen vielleicht aufgefallen, dass sie sehr lange dauern, eine genaue Lektüre, vor allem in Städten bekommen. Ein Grund dafür ist, dass das Signal eine Verylow Bandbreite (50 Bit/s hat) und anfällig für Störungen durch Gebäude und andere Hindernisse ist.

Eine gute GPS ermittelte Position in der Regel benötigt ein Signal von mindestens vier Satelliten und braucht sehr exaktes Timing. Wenn die Empfangseinheit ein Signal nimmt, es wie lange das Signal klappt, dauerte um es zu erreichen, und da Funkwellen immer mit der gleichen Geschwindigkeit Reisen, es dieses Intervall verwenden kann, um die Entfernung selbst zum Satelliten berechnen – der Pseudorange. Mit einem Satelliten dann weiß der Empfänger, dass seine Position irgendwo auf der Oberfläche einer imaginären Kugel mit dem Satelliten in der Mitte. Jedes zusätzliche Satellitensignal ermöglicht es, andere Sphären zu berechnen. Die zweite Kugel schneidet mit dem ersten — quetschen zwei Bläschen zusammen vorstellen, die "Mauer" zwischen ihnen bildet einen Kreis, so dass die Position um irgendwo innerhalb dieses Kreises behoben wurde.

Eine dritte Sphäre schneidet mit diesem Kreis an nur zwei Stellen, von denen die Lage des Empfängers ist. Der andere Punkt der Schnittpunkt ist in der Regel irgendwo im Raum, Tausende von Meilen von der Erde und kann ignoriert werden (es sei denn, du ein Astronaut bist). Der vierte Satellit wird verwendet, um die Genauigkeit der Zeitmessung zu verbessern; sehr kleine Fehler in der Zeit, sogar Milliardstel einer Sekunde können dazu führen, dass Positionierungsfehler von Hunderten von Metern.

GPS wurde entwickelt und wird durch das US Department of Defense, aber es gibt Alternativen in Entwicklung, einschließlich der Europäischen Galileo-Programm. Zunächst für die Öffentlichkeit zugänglich gemacht worden war, war GPS nur mit einer Genauigkeit von 100 Meter oder so, weil Fehler absichtlich in den Ephemeriden und der Almanach eingeführt wurden. Seit dem Jahr 2000 hat jedoch dieses Selective Availability abgeschaltet wurde-obwohl es für militärische Zwecke reaktiviert werden kann.

Das GPS-System wird ständig weiterentwickelt und neue Satelliten werden regelmäßig in den Orbit. Es ist wesentlicher Bestandteil des Lebens im 21. Jahrhundert geworden.