Wie funktioniert das GPS-System?
Bei GPS (Global Positioning System) handelt es sich um das globale Navigationssatellitensystem des US-Verteidigungsministeriums, das zur Positionsbestimmung eingesetzt wird. Das amerikanische Navigationssatellitensystem ist bereits seit den 90er-Jahren komplett funktionsfähig und deshalb sehr weit verbreitet. Mittlerweile existieren Alternativen aus Europa (Galileo), Russland (GLONASS) und auch China (Beidou).
Um die Position von Objekten auf der Erdoberfläche möglichst exakt zu bestimmen, kommt eine Vielzahl von Satelliten auf einer Umlaufbahn rund 20000 km über der Erde zum Einsatz. Diese senden kontinuierlich per codierten Radiosignalen ihre aktuelle Position und die genaue Uhrzeit aus. Der Empfänger (Receiver), der sich auf dem Objekt befindet, misst nun die Signallaufzeit zwischen Satellit und Empfänger.
Besteht nur Kontakt zu einem Satelliten, kann auch nur die Entfernung zu diesem bestimmt werden. Aus dieser Information kann nur geschlossen werden, dass sich das Objekt auf einer Kugelfläche mit dem Radius der gemessenen Entfernung zum Satelliten befinden muss. Eine Positionierung inklusive Höhe ist damit noch nicht möglich. Dazu bedarf es Kontakt zu mindestens drei Satelliten, zu denen die Entfernung gemessen wird, um dann per Triangulation die genaue Position bestimmen zu können. Kontakt zu einem vierten Satelliten ist notwendig, da dieser die Referenzzeit für den Empfänger liefert.
Ungenauigkeiten bei der Positionsbestimmung ergeben sich unter anderem durch Veränderungen der Signallaufzeiten, z.B. aufgrund atmosphärischer Änderungen. Deshalb bringen globale Navigationssatellitensysteme meist eine Ungenauigkeit von 10 m bis 15 m mit sich. Durch den Einsatz von Korrektursignalen (z.B. bei RTK-GPS – Real Time Kinematics) werden diese Fehler bei der Laufzeitbestimmung mit Hilfe von ortsfesten Basisstationen minimiert. Da deren Position bekannt ist, lässt sich eine Korrekturwert für das nähere Umfeld der Basisstation (meist in einem Durchmesser rund 20 bis 30 km um die Basisstation) bestimmen. Durch diese Technologie lassen sich Genauigkeiten im Bereich weniger Zentimeter erreichen.
Beachtet werden muss, dass der Empfang durch viele Faktoren beeinflusst werden kann. So können Gebäude, Bäume, Hügel oder auch Hagelnetze und Blattwerk die Sicht zu den Satelliten behindern und damit eine hochgenaue Lokalisierung verhindern. Aus diesem Grund müssen Intelligente Mobile Maschinen weitere Sensorik zur Lokalisierung mit sich bringen, um nicht bei jeder kleinen Störung des globalen Navigationssatellitensystems angehalten zu werden. Möglichkeiten bieten dazu unter anderem Inertialmesseinheiten, Odometrie oder Umfeldsensorik.
