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Einleitung 1 1. Einleitung Orten und Navigieren sind elementare Fertigkeiten von Mensch und Tier. Die Nahrungssuche oder die Flucht vor Feinden wäre unmöglich, wenn das Tier nicht wüsste, wo es sich befindet und wohin sein eingeschlagener Weg führt. Der Mensch ergänzte im Laufe der Zeit seinen Orientierungssinn durch technische Hilfsmittel. Die Schifffahrt stellte der Menschheit das erste grosse Ortungsproblem. Bezeichnenderweise ist der Begriff Navigation auch vom lateinischen Wort navis (Schiff) abgeleitet. Zwar kann ein Küstenschiff natürlichen Landmarken wie Bergen oder Klippen folgen, auf offener See benötigt man aber andere Hilfsmittel, da dort diese Fixpunkte fehlen. Die Himmelsrichtungen konnten beispielsweise nach dem Stand der Sonne oder der Sterne abgeschätzt werden. Ein Seemann kann mit Hilfe der Astronavigation seine Position bis auf 5 km genau bestimmen. Die Luftfahrt verlangte jedoch ein genaueres, bei jeder Witterung anwendbares Verfahren, da Flugzeuge wesentlich schneller und wetterabhängiger sind als Schiffe. So wurden im Ersten Weltkrieg erste Navigationssysteme für die Luftwaffe mit Hilfe der Funktechnik entwickelt. Mit den Möglichkeiten der Raumfahrt begannen die Militärs der USA und der UDSSR während des Kalten Krieges erste satellitengestützte Navigationssysteme zu schaffen. Solche Systeme sind weniger anfällig auf atmosphärische Störungen als die Funksysteme aus den 40er Jahren und lassen sich auch global einsetzen. Das wohl am weitesten verbreitete Navigationssystem ist das NAVSTAR-GPS der amerikanischen Armee. Der Anteil militärischer Anwendungen macht heute nur noch ein Bruchteil der GPS-Nutzung aus, während der Markt für zivile GPS-Anwendungen immer rascher expandiert. Kernthemen dieses Berichts sind die grundsätzliche Funktionsweise und die Anwendungsgebiete des Navigationssystems GPS. Weiterhin wird auf die Problematik eingegangen, die die zivile Nutzung einer militärischen Einrichtung mit sich bringt. Dabei wird ebenfalls die Entwicklung des ersten rein zivilen Satellitennavigatiossystems GALILEO der Europäischen Union ein Thema sein. Der Bericht richtet sich an die Dozenten und die Studierenden der HTA Burgdorf und andere Interessierte. Es sind keine speziellen Kenntnisse auf dem Gebiet der Funktechnik oder der Raumfahrt zum Verständnis erforderlich. Bei der Erläuterung der Funktionsweise von GPS wird jedoch davon ausgegangen, dass man mit der Vektorgeometrie im dreidimensionalen Raum vertraut ist. Als Hauptquelle diente das Fachbuch „GPS Grundlagen“ von Jean-Marie Zogg. Der ehemalige Dozent der HTW Chur arbeitet heute für die Firma u-blox in Thalwil, die Komponenten und Antennen für GPS-Empfänger herstellt. Die restlichen Kapitel basieren auf diversen aktuellen Artikeln, die wir bei Internet-Recherchen gefunden haben. Dazu gehören beispielsweise eine Semesterarbeit der HTW Chur, ein Bericht zur UKW- Tagung 2002 von Dipl.-Ing. Erich H. Franke oder die GALILEO-Hompage der EU. Zum Thema GPS sind grundsätzlich, vor allem im Internet, sehr viele Publikationen zu finden. Jedoch ist deren Inhalt aufgrund mangelnden Wissens des Verfassers häufig unpräzise oder widersprüchlich. Gemäss unserer Erfahrung empfiehlt es sich deshalb zur Erarbeitung des GPS-Basiswissens eine Publikation einer Hochschule oder ein Fachbuch eines qualifizierten Verfassers zu verwenden.
Geschichte des GPS 2 2. Geschichte des GPS 2.1. Funknavigation Seit den dreissiger Jahren dienen stationäre Funksender zur Ortung und Navigation an Bord von Flugzeugen und Schiffen. Mit Hilfe eines Peilgerätes kann die Richtung bestimmt werden, aus der die Signale des Funksenders oder die Reflexionen des eigenen Bordsenders kommen. Dadurch lässt sich auf den momentanen Standort bzw. den Bewegungszustand des Flugzeuges schliessen. Peilungen zu zwei Sendern in unterschiedlicher Richtung bestimmen als Schnittpunkt die eigene Position. Abb. 2.1: Mobile Sendestation des LORAN-Systems [2] Das während dem zweiten Weltkrieg für die Luftwaffe entwickelte LORAN-System (LOng RAnge Navigationsystem) beruht auf diesem Prinzip. Mit mobilen Sendestationen (siehe Abb. 2.1) können lokal provisorische Funknetze aufgebaut werden. Allerdings weist diese Methode einige Nachteile auf, welche schliesslich auch zur Entwicklung des GPS geführt haben: Eine Ortung mit LORAN ist nur regional möglich, da entsprechende Sender über Meeren und Gebirgen fehlen. Ausserdem müssten für das Navigieren über feindlichem Gebiet Funksender innerhalb oder zumindest am Rande des Kriegsgebietes platziert werden, was häufig schwierig ist und das System verletzbar macht. Das zweite Problem ist die Reichweite der Sender. Da sich elektromagnetische Wellen geradlinig ausbreiten, die Erde jedoch kugelförmig ist, lässt sich das Sendesignal nur auf Kurze Strecken direkt und ungestört empfangen. Zwar lässt sich die Reichweite mit zusätzlichen Senderpositionen auf Türmen und Bergen vergrössern, aber für grosse Distanzen ist man auf Lang- und Längstwellen angewiesen, die sich entlang der Erdoberfläche ausbreiten. Allerdings sind diese Wellen sehr störanfällig und man kann sie nur mit mässiger Genauigkeit empfangen. 2.2. Satellitennavigation Abb. 2.2: 6 Timation-1-Satelliten bildeten das TRANSIT-System [2] Dies führte dazu, dass mit dem Beginn der Raumfahrt die Entwicklung satellitengestützter Navigationssysteme vorangetrieben wurde, da man sich so den oben genannten irdischen Widrigkeiten entziehen kann. Die US-Navy arbeitete seit den sechziger Jahren an einem Satellitennavigationssystem namens TRANSIT. 1964 wurde das System in Betrieb genommen. Es bestand aus sechs Timation-1-Satelliten (siehe Abb. 2.2 und Abb. 2.2), die in etwa 1000 Kilometern Höhe auf polaren Umlaufbahnen die Erde umkreisten.
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