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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Navigationssystem GPS. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum GPS (engl. Global Positioning System – globales Positionierungssystem, sprich GPS) – ein Satellitennavigationssystem, das Entfernungs-, Zeit- und Standortbestimmung im Weltkoordinatensystem WGS 84 ermöglicht. Ermöglicht überall auf der Erde (mit Ausnahme der zirkumpolaren Regionen), fast in jedem Das Wetter sowie im erdnahen Weltraum bestimmen den Standort und die Geschwindigkeit von Objekten. Das System wurde vom US-Verteidigungsministerium entwickelt, implementiert und betrieben und ist derzeit für zivile Zwecke verfügbar – Sie benötigen lediglich ein Navigationsgerät oder ein anderes Gerät (z. B. ein Smartphone) mit GPS-Empfänger. Das Grundprinzip des Systems besteht darin, den Standort zu bestimmen, indem die Zeitpunkte gemessen werden, zu denen die Antenne des Verbrauchers ein synchronisiertes Signal von Navigationssatelliten empfängt. Um dreidimensionale Koordinaten zu bestimmen, muss ein GPS-Empfänger über vier Gleichungen verfügen: „Die Entfernung ist gleich dem Produkt aus der Lichtgeschwindigkeit und der Differenz zwischen den Zeitpunkten des Signalempfangs durch den Verbraucher und dem Zeitpunkt seiner synchronen Strahlung von Satelliten.“ ”: |x - a_{j}| = c(t_{j} - \tau). Dabei gilt: a_{j} ist der Standort des {j}-ten Satelliten, t_{j} ist der Zeitpunkt des Signalempfangs vom {j}-ten Satelliten gemäß der Uhr des Verbrauchers, \tau ist der unbekannte Zeitpunkt von synchrone Signalaussendung aller Satelliten entsprechend der Uhr des Verbrauchers, c ist die Lichtgeschwindigkeit, x ist die unbekannte dreidimensionale Position des Verbrauchers.
Mit Hilfe eines GPS-Empfängers wird nicht nur der Standort eines sich bewegenden Objekts bestimmt, sondern auch die Geschwindigkeit seiner Bewegung, die zurückgelegte Entfernung, die Entfernung und Richtung zum Zielpunkt, die Ankunftszeit und Abweichungen vom eingestellten Kurs werden berechnet. Schon heute zeichnet sich ab: Im ersten Jahrzehnt des neuen Jahrtausends werden Satellitennavigationssysteme zum Hauptpositionierungsmittel für Land-, Luft- und Meeresobjekte. Da GPS-Empfänger mit der heutigen Technologie klein, zuverlässig und billig sind, werden sie für den Durchschnittsverbraucher immer zugänglicher. Zuerst erschien das NAVSTAR Space Radio Navigation System (NAVSTAR). Das auf Zeit- und Entfernungsmessungen basierende Navigationssystem in den Vereinigten Staaten wurde hauptsächlich für die koordinative zeitliche Unterstützung von Truppen und militärischer Ausrüstung geschaffen. Der erste amerikanische Navigationssatellit wurde im Februar 1978 gestartet, später begann die aktive Einführung von Satellitennavigationsmethoden in das zivile Leben. Bis 1983 wurde das Navigationssystem ausschließlich vom Militär genutzt. Nachdem jedoch eine Boeing 747 über der Tatarenstraße abgeschossen wurde, wurde das System für die zivile Nutzung freigegeben. Dann erschien tatsächlich die Abkürzung GPS (Global Positioning System) - Global Positioning System. Der Begriff „Ortung“ ist weiter gefasst als der Begriff „Ortung“. Die Positionierung umfasst neben der Bestimmung der Koordinaten auch die Bestimmung des Geschwindigkeitsvektors eines sich bewegenden Objekts. Die US-Regierung hat mehr als zehn Milliarden Dollar für die Schaffung dieses Systems ausgegeben und gibt weiterhin Geld für seine Weiterentwicklung und Unterstützung aus. Das Satellitennavigationssystem verwendet anstelle von geodätischen Zeichen und Funkfeuern Satelliten, die spezielle Signale aussenden. Die aktuelle Position der Satelliten im Orbit ist bekannt. Satelliten übermitteln ständig Informationen über ihren Standort. Ihre Entfernung wird bestimmt, indem die Zeit gemessen wird, die ein Funksignal benötigt, um von einem Satelliten zu einem Funkempfänger zu gelangen, und diese mit der Geschwindigkeit der elektromagnetischen Welle multipliziert wird. Durch die Synchronisierung der Uhren von Satelliten mit Atomic Reference Frequency Oscillators und Empfängern wird eine genaue Messung der Entfernungen zu den Satelliten erreicht. "Um die Koordinaten eines Ortes auf der Erde zu berechnen", schreibt V. Kuryshev in der Zeitschrift Radio, "muss man die Entfernungen zu Satelliten und den Standort jedes einzelnen von ihnen im Weltraum kennen. GPS-Satelliten befinden sich in hohen Umlaufbahnen (20000 km), und ihre Koordinaten lassen sich mit großer Genauigkeit vorhersagen. Die Ortungsstationen des US-Verteidigungsministeriums ermitteln regelmäßig selbst kleinste Bahnänderungen, und diese Daten werden an Satelliten übermittelt. Die gemessenen Entfernungen zu Satelliten werden als Pseudoentfernungen bezeichnet, da es welche gibt Unsicherheit bei ihrer Bestimmung. Tatsache ist, dass die Ionosphäre und Troposphäre der Erde Verzögerungen bei Satellitensignalen verursachen, was zu einem Fehler bei der Berechnung der Entfernung führt. Es gibt andere Fehlerquellen - insbesondere Rechenfehler an Bord von Computern, elektrisches Rauschen von Empfängern, Mehrwegeausbreitung von Funkwellen. Eine unglückliche relative Positionierung von Satelliten am Himmel kann auch zu einer entsprechenden Erhöhung des Gesamtpositionsfehlers führen Aufteilung. Um Entfernungen zu bestimmen, erzeugen Satelliten und Empfänger komplexe binäre Codefolgen, sogenannte Pseudozufallscodes. Die Bestimmung der Signallaufzeit erfolgt durch Vergleich der Verzögerung des Pseudozufallscodes des Satelliten gegenüber dem gleichen Code des Empfängers. Jeder Satellit hat seine eigenen zwei Pseudozufallscodes. Um Ranging-Codes und Informationsmeldungen verschiedener Satelliten zu unterscheiden, werden die entsprechenden Codes im Empfänger aufgerufen. Pseudo-Random-Ranging-Codes und Informationsnachrichten von Satelliten ermöglichen die gleichzeitige Übertragung von Nachrichten von Satelliten auf derselben Frequenz ohne gegenseitige Beeinflussung. Die Strahlungsleistung der Satelliten und die gegenseitige Beeinflussung der Signale der Satelliten ist unbedeutend. Die Messgenauigkeit kann durch die Verwendung von Differenzmessungen verbessert werden. Eine Referenz-Bodenstation mit genau bekannten geodätischen Koordinaten berechnet die Differenz zwischen den Koordinaten ihres Empfängers und ihren tatsächlichen Koordinaten. Die Differenz in Form einer Korrektur wird über Funkkanäle an die Verbraucher übermittelt, um die Messwerte der Empfänger zu korrigieren. Diese Korrekturen eliminieren einen erheblichen Teil der Fehler bei Entfernungs- und Ortsmessungen. Die Berechnung der Koordinaten an der Rezeption im Indikator erfolgt automatisch und es ist möglich, die Informationen in einer bequemen kartografischen Form zu verwenden. GPS besteht aus 3 Segmenten: Raumsegment, Kontrollsegment und Benutzersegment.
Das Weltraumsegment besteht aus 24 Satelliten, die sich in 6 Umlaufbahnen (jeweils vier) in einer Höhe von etwa 20350 Kilometern befinden. Derzeit sind 28 Satelliten in Betrieb. "Zusätzliche" Satelliten werden für die Versicherung und den Ersatz von ausgefallenen Satelliten verwendet. Das Kontrollsegment besteht aus Beobachtungsstationen an mehreren Punkten der Erde und der Hauptkontrollstation. Die Leitstation befindet sich im Joint Military Space Systems Control Center in Colorado Springs. Das Zentrum sammelt und verarbeitet Daten von Ortungsstationen, berechnet und prognostiziert Satelliten-Ephemeriden sowie Uhrenparameter. Beobachtungsstationen überwachen die Satelliten und zeichnen alle Informationen über ihre Bewegung auf, die zur Bahnkorrektur und für Navigationsinformationen an die Hauptkommandostation übertragen werden. Das Benutzersegment umfasst Benutzergeräte, die eine Bestimmung von Koordinaten, Geschwindigkeit und Zeit ermöglichen. Der Hauptverbraucher von GPS-Informationen ist das US-Verteidigungsministerium. GPS-Empfänger wurden in allen Kampf- und Transportflugzeugen und -schiffen sowie in den Leitsystemen von hochpräzisen Marschflugkörpern und in den Leitsystemen der neuen US-Lenkbomben eingeführt. Das bedeutet, dass das US-Militär planen kann, präzisionsgelenkte Raketenangriffe aus einer Entfernung von tausend Kilometern durchzuführen, nicht nur gegen Gebäude und Strukturen, sondern auch innerhalb eines bestimmten Fensters. Darüber hinaus können diese Angriffe von U-Booten und aus der Luft ausgeführt werden.
In Russland gibt es ein ähnliches System: Als Reaktion auf die Gründung von NAVSTAR durch die Amerikaner schuf die UdSSR ihr eigenes globales Navigationssatellitensystem - GLONASS. Der erste inländische Navigationssatellit Kosmos-192 wurde am 27. November 1967 in die Umlaufbahn gebracht, und 1979 wurde das Navigationssystem der ersten Generation Cicada geschaffen, das 4 Satelliten mit niedriger Umlaufbahn umfasste. 1982 wurden dann die ersten Satelliten des neuen GLONASS-Navigationssystems gestartet. Die Zahl der GLONASS-Satelliten wurde 1996 auf den Standardzustand gebracht. GLONASS-Satelliten befinden sich in einer Höhe von etwa 19100 Kilometern. Im Gegensatz zu NAVSTAR-Satelliten werden GLONASS-Satelliten in drei Umlaufbahnen mit jeweils 8 Satelliten platziert. Die Umlaufzeit der Satelliten beträgt 11 Stunden 15 Minuten. Wie GPS wird GLONASS sowohl von militärischen als auch von zivilen Nutzern verwendet. Es gibt jedoch nicht so viele Benutzer des Systems: Tatsächlich wurde es seit 1998 nicht mehr entwickelt. Jedes Jahr nimmt die Satellitenkonstellation ab. Der Grund ist banal und, könnte man sagen, Standard für die meisten inländischen Entwicklungen: Der Staat hat kein Geld, und die rechtlichen Rahmenbedingungen für die Nutzung von Satellitennavigationssystemen in Russland lassen es nicht zu, dass sich das System auf Kosten der zivilen Verbraucher entwickelt. Die Aussichten für die Entwicklung von GLONASS hängen von der Position des Staates ab. Er wird entscheiden müssen, ob er dieses Navigationssystem für einen breiten Verbraucherkreis öffnet oder nicht. Im Februar 2000 schickten russische Wissenschaftler einen offenen Brief an Wladimir Putin (damals amtierender Präsident Russlands), in dem sie ihre Version der Entwicklung von GLONASS skizzierten: Erstens, um dringend ungerechtfertigte Regimebeschränkungen für die Verwendung von Haushaltssatellitenempfängern zur Bestimmung zu beseitigen Koordinaten; zweitens, durch Regierungsdekret, das inländische allgemein-terrestrische geodätische Koordinatensystem "Parameter der Erde im Jahr 1990" (PZ-90) und das Satellitennavigationssystem GLONASS für den Masseneinsatz im gesamten Raum Russlands und der Länder von zu dekretieren der Weltgemeinschaft..." Bisher hat der Präsident noch keine Entscheidung getroffen. Anders als das russische System hat sich GPS ständig dahingehend weiterentwickelt, dass es für zivile Nutzer offen ist. Vor dem 1. Mai 2000 war der GPS-Zugang für sie selektiv, was die Standortgenauigkeit auf Hunderte von Metern verschlechterte. Gleichzeitig betrug die Genauigkeit für das Militär 5-20 Meter. Am 1. Mai kündigte Präsident Clinton jedoch ein Ende des Rückgangs der GPS-Signalgenauigkeit für zivile Benutzer an. „Dies bedeutet, dass zivile GPS-Benutzer in der Lage sein werden, zehnmal genauer zu lokalisieren als derzeit verfügbar“, sagte er. Warum braucht die US-Regierung das und was wird sie dem Navigationssystem geben? Überzeugen Sie sich selbst: Laut dem Pressedienst des Präsidenten der Vereinigten Staaten gab es im Jahr 2000 weltweit mehr als 4 Millionen GPS-Benutzer, und bis 2003 wird sich der Markt für dieses Navigationssystem verdoppeln - von 8 auf 16 Milliarden Dollar. Muss erklärt werden, dass mit diesem Geld das System nicht nur gewartet, sondern auch weiterentwickelt werden kann? Die USA planen bereits, 18 zusätzliche Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen, um die GPS-Leistung zu verbessern. Der Standardeinwand gegen die Offenheit von Navigationssystemen in Russland waren schon immer Sicherheitsinteressen. Das Militär befürchtete, wenn das Navigationssystem allen zur Verfügung gestellt würde, könnte es von äußeren und inneren Feinden gegen den Staat eingesetzt werden. Diese Erklärung ist jedoch ziemlich schwach: Die Vereinigten Staaten haben, indem sie GPS für jedermann verfügbar gemacht haben, ihrer eigenen Sicherheit überhaupt nicht geschadet und sich das Recht auf eine "regionale Verringerung der Genauigkeit" des Signals vorbehalten. In der Praxis bedeutet dies, dass das US-Militär im Falle eines Konflikts mit einem bestimmten Land in der Lage sein wird, die Genauigkeit der vom Feind verwendeten GPS-Empfänger zu verringern oder sie ganz abzuschalten. Während also alles friedlich ist, können Sie Geld von GPS-Benutzern erhalten. Sobald Probleme auftreten, können sie abgeschaltet werden. Heute ist es gar nicht mehr einfach, alle Einsatzgebiete dieses Navigationssystems aufzuzählen. Wie Oleg Tatarnikov in der Zeitschrift Computer-Press feststellt: "GPS-Empfänger sind in Autos, Handys und sogar Armbanduhren eingebaut! Touristen verwenden Taschenempfänger, um Routen zu planen und klar zu navigieren. Jäger und Fischer markieren die Koordinaten von geschätzten Jagd- und Angelplätzen. " und Autotouristen tauschen Routen aus, die Tankstellen angeben. Nichts wird den Siegeszug von GPS aufhalten. Receiver werden immer kleiner und billiger, ein streichholzschachtelgroßes Gerät kann heute schon für weniger als 50 Dollar gekauft werden; Navigationschips werden in Uhren und Mobiltelefone eingebaut und werden zum festen Bestandteil von Autoalarmanlagen, die ihrerseits die Polizei über den Standort eines gestohlenen Autos informieren. Im Gegensatz zu Funksignalisierungssystemen, die keine breite Anwendung gefunden haben, erfordert ein solches System kein spezielles Netz von Peilstationen - hier wird herkömmliche mobile Kommunikation verwendet. Außerdem kann der Fahrer per Knopfdruck einen Raubüberfall oder einen Unfall melden. Ein weiterer Knopf ruft nach einem Krankenwagen. In naher Zukunft wird voraussichtlich ein ganzes "Routenpaket" auf dem Autoelektronikmarkt erscheinen - ein vollwertiges Bordnavigationssystem mit elektronischen Karten russischer Städte und Regionen ... ...GPS-Empfänger werden zur Lösung verschiedenster Probleme eingesetzt: Geologen überwachen die subtile Bewegung von Bereichen der Erdkruste in Echtzeit, Retter identifizieren Katastrophenorte, Zoologen stellen Halsbänder mit tragbaren Indikatoren und Funksendern her, um Tierwanderungen zu untersuchen Das Militär baut Zielsuchraketen und Bomben, und eine Expedition der US-amerikanischen National Geographic Society hat letztes Jahr die Höhe des Everest auf den Zentimeter genau gemessen.
Das Magazin "Computerra" veröffentlichte eine Nachricht über die Veröffentlichung eines der Unternehmen von GPS-Chips, die für die Implantation in den menschlichen Körper bestimmt sind! Wie so oft verfügt das Navigationssystem über viele weitere nützliche Zusatzfunktionen. Mit Hilfe des Systems ist es beispielsweise möglich, in wissenschaftlichen Experimenten hochgenau die Zeit zu bestimmen, die benötigt wird, um die beim Gehen oder Laufen entwickelte Geschwindigkeit und die zurückgelegte Strecke zu messen. GPS zeigt die Höchst- und Durchschnittsgeschwindigkeit des Autos an und mit seiner Hilfe können Sie insbesondere die Richtigkeit der Tacho- und Kilometerzählerstände überprüfen. Natürlich ist die Navigation mit diesem System stark vereinfacht. So gibt es unter den professionellen „Navigatoren“ eine ganze Generation von Spezialisten, die mit klassischen Navigationsgeräten nicht umzugehen wissen. Autor: Musskiy S.A.
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