Sicherungsmaßnahmen. Interessenkonflikt GPS ist in erster Linie ein Navigationssystem des US...

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  • Sicherungsmanahmen
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  • Interessenkonflikt GPS ist in erster Linie ein Navigationssystem des US Streitkrfte. Das bedeutet das die USA allein entscheidet in welchen Umfang GPS der Allgemeinheit zugnglich ist. Die US Regierung steht bei dieser Entscheidung im Interessenkonflikt: Streitkrfte mchten durch alleinigen Zugriff von GPS im Vorteil gegenber eines militrischen Gegners sein. Die US Finanzbehrde mchte durch die Vermarktung der GPS Technologie Steuereinnahmen zur Refinanzierung des Systems erziehlen
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  • Sicherungsmanahmen Zu Beginn der GPS Technologie gab es noch keinerlei Einschrnkungen. Alle relevanten Informationen ber das System wurden verffentlich. Das trug dazu bei das Entwickler aus der ganzen Welt an Facetten gearbeitet haben die diesem System eine hhere Performance gaben. Ca. 1 Jahr vor der vollstndigen Betriebsbereitschaft von GPS wurde nach vorheriger Ankndigung GPS am 1. Januar 1994 eingeschrnkt. Es wurden dabei zwei Techniken eingesetzt:Selective Availablity und Anti- Spoofing
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  • Selective Availability (SA) Bedeutet in wrtlicher bersetzung ausgewhlte Verfgbarkeit. Der Systembetreiber whlt aus, welchen Anteil des Genauigkeitspotentials von GPS zur Verfgung gestellt wird. Durch SA wurde die Navigationsgenauigkeit(absolut) fr einen zivilen Nutzer auf 100m eingschrnkt. SA war in den USA sehr umstritten. Deshalb wurde SA am 2.Mai 2000 ausgeschaltet. Am 4 Oktober verffentlichte die USA den Performance Standard. Dieser Standard betrifft die Genauigkeit der Ortung. Somit kann mit einer Genauigkeit von 8,3 m fr die Lage und 16,8m fr die Hhe gerechnet werden. In ungnstigen Fllen liegen die Werte fr die Lage bei 19,7 m und 44,0m fr die Hhe. Deutsche empirische Untersuchungen besttigten diese Betreiberangaben.
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  • Anti Spoofing (AS) Die Bezeichnung ist auf das englische Verb to spoof beschwindeln, reinlegen zurckzufhren. Ein GPS Empfnger wird beschwindelt, wenn ein feindlicher Sender ein Signal mit falschen Informationen ausstrahlt, welches vom Empfnger als Satellitensignal aufgefasst wird. AS ist eine Manahme zur Verhinderung derartiger Strungen. Dies wird erreicht durch die Verwendung des geheimen P(Y) Code.
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  • Die GPS Nachricht (1) Die fr die Positionsbestimmung notwendige Nachricht in Echtzeit besteht aus 1500 Bit. Diese wird in 30 Sekunden bertragen was eine Taktfrequenz von 50Hz entspricht (1500Bit /30 Sekunden =50 Bit/s) Diese 1500 Bit bilden einen Frame der sich in 5 Subframes a10 Wrtern von je 30 Bit (300 Bit pro Subframe) aufspalten lsst.
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  • Die GPS Nachricht (2)
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  • Die GPS Nachricht (3) Jeder Subframe beginnt mit zwei SpezialwrternTelemetry Word und Hand Over Word Telemetry Word Das Word besteht aus einer festgelegten 8 Bit Struktur zur Synchronisation und einer 14 Bit Nachricht, die Auskunft darber gibt, ob gerade neue Ephemeriden an den Satelliten bersandt oder ob andere Satellitenoperationen ausgefhrt werden.
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  • Ephemeride Eine Ephemeride ist eine Tabelle, die die Positionen eines sich bewegenden Himmelskrpers auflistet, normalerweise ein Objekt unseres Sonnensystems. Ephemeriden finden sowohl in der Astrologie wie in der Astronomie Verwendung. Ephemeriden fr die Astronomie bedienen sich zur Positionsangabe entweder des Vollkreises von 360 Grad lngs der Ekliptik, oder geben die Position in quatorialkoordinaten an. (quelle wikipedia)
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  • Die GPS Nachricht (4) Das Hand-Over-Word (HOW) Das Wort enthlt die Satellitenzeit des Beginns der nachfolgenden Subsequenz.Diese Zeitangabe ermglicht den Zugang zum P-Code. Die eigentliche Nachricht ist in den Wrtern 3 bis 10 der Subframes enthalten.
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  • Inhalt von Subframe 1 AODC (Age of Data-Clock) Informationen ber das Alter der Uhrendaten Parameter zu Berechnung des Uhrenfehlers. Zweck ist es, dem Nutzer die Differenz zwischen Satellitenzeit und GPS Zeit zu vermitteln. Zustand (Health) der Satelliten, GPS Wochennummer, weitere Informationen
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  • Inhalt von Subframe 2 AODE (Age of Data-Ephemeris) Information ber das Alter der Bahndaten Bahndaten des Satelliten (siehe Tabelle 1)
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  • Inhalt von Subframe 3 (1) Bahndaten des Satelliten (siehe Tab1) M0M0 Mittlere Anomalie nKorrekturglied zur mittleren Winkelgeschwindigkeit eExzentrizitt der Bahnellipse a Quadratwurzel der groen Halbachse der Bahnellipse
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  • Inhalt von Subframe 3(2) 00 Parameter fr die Rektaszension des aufsteigenden Knotens. i0i0 Bahnneigung zur Referenzzeit(tr) Argument des Perigums Zeitliche nderung der Rektaszension des aufsteigenden Knoten
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  • Inhalt von Subframe 3(3) Zeitliche nderung der Bahnneigung c uc,c us Korrekturglieder zum Argument der Breite c rc,c rs Korrekturglieder zum Radiusvektor c ic,c is Korrekturglieder zur Bahnneigung t(r)Referenzzeit fr die Ephemeriden
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  • Begriffserluterungen aus diversen online- Enzyklopdien
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  • Rektaszension In der Astronomie ist Rektaszension (der in alten deutschen Bchern benutzte Begriff lautet "gerade Aufsteigung") die Entsprechung der geografischen Lngenkreise auf der (imaginren) Himmelskugel. Als Nullpunkt der Rektaszension dient dabei der Frhlingspunkt. Die Rektaszension, die bei der Positionsangabe von Himmelsobjekten verwendet wird, wird von Norden aus betrachtet im Gegenuhrzeigersinn gemessen. In der Astronomie hat sich eingebrgert, die Rektaszension nicht in Grad, sondern in Stunden anzugeben, wobei 24h = 360 gesetzt werden. Als Krzel wird RA (engl. Right Ascension) benutzt, wobei der griechische Buchstabe den Winkel zwischen dem Lngengrad des Frhlingspunktes bis zum Lngengrad ber dem das beobachtete Objekt steht, definiert (auf der quatorebene gemessen). GradStunden
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  • Perigum Perigaeum - erdnaechster Punkt einer Erdsatellitenbahn, Gegenteil:Apogaeum
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  • Inhalt von Subframe 4(1) Almanach und Informationen ber den technischen Zustand der (z.Zt. nicht vorgesehnen) der Satelliten Nr. 25 32.Der Almanach enthlt die Bahndaten der GPS-Satelliten in vereinfachter Form. Der Almanach wird benutzt, um vorauszuberechnen, wann welche Satelliten fr die Ortung zur Verfgung stehen.
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  • Inhalt von Subframe 4(2) Ionosprisches Refraktionsmodell Benutzern, die nicht ber die Mglichkeit verfgen, beide Signale L 1 und L 2 zu empfangen, um daraus das laufzeitverhalten der Signale abzuleiten, wird ein Refraktionsmodell bermittel,mit dessen Hilfe Korrekturen zum Laufzeitverhalten des empfangenen Signals gerechnet werden knnen.
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  • Inhalt von Subframe 4(3) UTC- Daten UTC(Universal Time Coordinated). Als die genauste Zeiteinheit gilt heute die Sekunde. Das zu dieser Zeiteinheit gehrende Zeitsystem ist die Atomzeit (TAI: Temps Atomic International). Sie wird durch Atomuhren realisiert. Fr astronomische Zwecke wird aber die auf der Erdrotation beruhende Zeit UT1. Die UTC ist die Zeit die beiden Zeitsystemen Rechnung trgt. Die Differenz (UT1-UTC) wird durch Schaltsekunden angepasst. Informationen zur Berechnung von UTC aus der GPS- Zeit
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  • Inhalt von Subframe 5 (1) Amanach und Informationen ber den technischen Zustand der Satelliten Nr. 1 bis 24 Zur bermittlung der Inhalte der Subframes 4 und 5 ist eine Nachricht (ein Frame) nicht ausreichend. Bentigt werden 25 Frames die die Bezeichnung Page tragen. Das bedeutet das 25 Nachrichten bertragen werden mssen. Bei den Subframes 4 und 5 werden 25 Pages unterschiedlich Inhalts ausgestrahlt. Die Subframes 1 bis 3 bleiben unverndert.
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  • Inhalt von Subframe 5 (2) Zur bertragung der Gesamt-GPS- Nachricht (Master Frame) werden also 25 * 30s = 12,5 Minuten bentigt. Die fr die Ortung unbedingt erforderlichen Bahndaten der Satelliten stehen jedoch alle 30 Sekunden zur Verfgung.
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  • Inhalt von Subframe 5 (3) SF1SF2SF3SF4SF5 SF1SF2SF3SF4SF5 F1 F2 F3 MF F25 MF: Masterframe F: Frame SF: Subframe
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  • bertragung der Daten(1) Die Daten des GPS Systems werden durch Phasenmodulation auf das Trgersignal aufmoduliert. Diese Modulation eignet sich nur bei der bertragung von digitalen Signalen.
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  • bertragung der Daten(2) Bei der Phasenmodulierung wird die Sinusschwingung des Trgersignals unterbrochen und mit einer Phasenverschiebung von 180 wieder aufgenommen. Geeignete Gerte knnen diese Modulation erkennen und auswerten. Durch die Phasenmodulation kommt es zu einer Verbreiterung des Frequenzbereiches des Trgersignals. Wellenberg und Wellental folgen schneller aufeinander als im Ursprungssignal.
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  • bertragung der Daten(3) Amplitudenmodulation Frequenzmodulation Phasenmodulation
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  • Laufzeitmessung der Signale (1) Bisher ist bekannt : dass der Satellit einen Pseudozufallscode (PRN) aussendet der dem Empfnger bekannt ist. Wenn der PRN dem Empfnger bekannt ist, kann er den empfangenen Code vergleichen. blicherweise tritt allerdings eine Verschiebung auf. Der Empfnger verschiebt nun seinerseits das Signal bis die Signale deckungsgleich sind. Zeitlicher Verschiebung deckungsgleich
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  • Laufzeitmessung der Signale (2) Deckungsgleichheit wird durch den Algorithmus Kreuzkorrelation erreicht. Dieser Algorithmus zeichnet sich durch groe Unempfindlichkeit gegenber Streinflssen aus. Bei der Kreuzkorrelation werden beide Signale miteinander multipliziert. Das Ergebnis entspricht einem Wert (Bild Oben). Anschlieend wird so weit geschoben bis ein Maximalwert erkennbar ist der die Deckungsgleichheit signalisiert. Ein weiteres Verschieben decrementiert den Wert (Bild Mitte und Bild Unten). Bilder www.kowoma.de
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  • NMEA-0183 Daten (1) Das NMEA (National Marine Elelctronics Association) Protokoll definiert den Datenaustausch zwischen verschiedenen Gerten aus der Marineelektronik. Die NMEA Standards sehen pro Netz ein Sender und diverse Empfnger vor. Die Baudrate ist 4800 Baud. in diesem Standard ist keine Steckereinheit definiert, was zu vielen Anschlussvariationen fhrt. Die Festlegung auf einem Sender begrndet sich mit dem kontrolliertem Datenaustausch.
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  • NMEA-0183 Daten (1) Die Daten werden im ASCII Format bertragen. Dabei sind alle druckbaren Zeichen erlaubt. Die bertragung erfolgt in der Form von Stzen. Jeder Satz beginnt mit $. Anschlieend folgt eine zwei Zeichen lange Sendererkennung danach drei Zeichen lange Satzerkennung. Nach der Satzerkennung folgen die Datenstze die mit Kommas voneinander getrennt sind. Abschlieend folgt eine Prfsumme und CR/LF.
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  • NMEA-0183 Daten (2) Der Standard erlaubt es weiterhin einzelnen Herstellern eigene Satzformate. Diese fangen mit $P an, gefolgt von der drei Buchstaben langen Herstellererkennung. Dann folgen Daten. Die Datenstze der unterschiedlichen Gerte knnen sehr viele Informationen beinhalten wie zum Beispiel: Position, Geschwindigkeit, Richtung, Wassertiefe, Wassertemperatur, Wegpunkte, Windgeschwindigkeit.
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  • NMEA-0183 Daten (3) Im folgenden wird der Aufbau einer GPS Nachricht im NMEA Protokoll wiedergegeben (ist aber nur als Beispiel zu verstehen). Der GPRMC Datensatz (RMC recommended minimum sentence C)ist der empfohlene Mindestdatensatz was ein GPS Empfnger ausgeben soll.
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  • NMEA-0183 Daten (4) $GPRMC,191410,A,4735.5634,N,00739.3538,E,0.0,0.0,181102,0.4, E,A*19 $GPRMB,A,9.99,L,,Exit,4726.8323,N,00820.4822,E,29.212,107.2,,V,A*69 $GPGGA,191410,4735.5634,N,00739.3538,E,1,04,4.4,351.5,M,48.0,M,,*45 $GPGSA,A,3,,,,15,17,18,23,,,,,,4.7,4.4,1.5*3F $GPGSV,2,1,08,02,59,282,00,03,42,287,00,06,16,094,00,15,80,090,48*79 $GPGLL,4735.5634,N,00739.3538,E,191410,A,A*4A $GPBOD,221.9,T,221.5,M,Exit,*6B $GPVTG,0.0,T,359.6,M,0.0,N,0.0,K*47 $PGRME,24.7,M,23.5,M,34.1,M*1D $PGRMZ,1012,f*36 $PGRMM,WGS 84*06 $HCHDG,170.4,,,0.4,E*03 $GPRTE,1,1,c,*37
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  • NMEA-0183 Daten (4) $GPRMC,191410,A,4735.5634,N,00739.3538,E,0.0,0.0,181102,0.4,E,A*19 UTC-Zeit Empfngerwarnung Nrdliche Breite stliche Lnge Geschwindigkeit in Knoten und wahrer Kurs Datum Magnetisch Deklination Modus(A,D,E,N,S Prfsumme
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  • DGPS(1) Hufig reicht die Genauigkeit von GPS nicht aus. Mit dem Verfahren Differential GPS (DGPS) kann die Genauigkeit entscheidend verbessert werden, indem zustzliche terristische Stationen eingerichtet werden. Sie werden als Basisstation oder Korrektursender bezeichnet.
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  • DGPS(2) Prinzip Korrekturdaten
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  • DGPS(3) Eine Basisstation mit fester, przise bekannter Position fhrt eine Positionsbestimmung mit GPS durch. Da die Positionsbestimmung fehlerhaft ist, wird sich gegenber der exakten Position eine Differenz ergeben. Anhand dieser Differenz werden Korrekturdaten ermittelt, die dem Benutzer im Umkreis mitgeteilt werden.
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  • DGPS(4) Es wird dabei angenommen das der Benutzer in der Umgebung hnliche Fehler wahrnehmen. Mit den Korrekturdaten werden die Fehler nahezu kompensiert. Wichtig ist: dass der Benutzer in nicht allzu groer Entfernung ist dass die Korrekturdaten zeitnah bertragen werden.