GPS-Fehler beeinträchtigt die Navigation

Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) oder Navigationssysteme decken mittlerweile die gesamte Erde ab. Sie dienen der Positionsbestimmung und Navigation an Land, auf See und in der Luft, indem sie Signale von Navigationssatelliten und Pseudoliten (bodengestützte Sender, die ähnlich wie Satelliten Signale aussenden) empfangen.

Der Begriff GPS bezieht sich speziell auf das amerikanische System „NAVSTAR-GPS“ (Navigation System Using Timing and Ranging – Global Positioning System). Dieses globale System ist am bekanntesten und wird auch von europäischen Militärs genutzt. Daher kommt GPS in der Navigationskriegsführung eine größere Bedeutung zu als dem europäischen Galileo-System.

Hauptmerkmal:

Für eine präzise GPS-Positionierung sind Signale von mehreren Satelliten erforderlich.

Mithilfe von GPS wird die Position der Empfangsantenne auf der Erde bestimmt, indem die Entfernung mehrerer Satelliten gemessen wird, die sich etwa 20.000 Kilometer von der Erde entfernt befinden. Ein einzelner Satellit reicht nicht aus, um die Position genau zu bestimmen; es sind zusätzliche Entfernungsmessungen von anderen Satelliten erforderlich. Der Schnittpunkt der Kugelstrahlung von mindestens drei Satellitensignalen ermöglicht eine präzise Positionsbestimmung.

Allerdings breiten sich Satellitensignale im Vakuum des Weltraums anders aus als beim Eintritt in die Erdatmosphäre. Signalverzögerungen durch atmosphärischen Eintrag müssen berücksichtigt werden, um Messfehler von mehreren Metern zu vermeiden. Um Entfernungsmessungen zu ermöglichen, kodieren GPS-Systeme Übertragungszeiten in Satellitensignalen. Da die Uhr des Empfängers zunächst nicht exakt mit der GPS-Zeit synchronisiert ist, wird dieser Zeitunterschied als zusätzliche Unbekannte bei der Positionsberechnung verwendet. Um drei zunächst unbekannte Positionskoordinaten und einen konstanten Zeitwert zu bestimmen, muss die Entfernung zum vierten Satelliten bekannt sein. Daher kann die genaue Position auf der Erdoberfläche durch die Lösung von drei lokalen Gleichungen und einer zeitabhängigen Gleichung berechnet werden.

GPS-Satellitennavigation

Das Satellitennavigationssystem besteht aus drei Teilen: Weltraumteil, Steuerungsteil und Benutzerteil. Im Fall von GPS besteht das Weltraumsegment aus 24 aktiven Satelliten und 7 Ersatzsatelliten. Die Satelliten umkreisen die Erde in sechs Umlaufbahnen mit jeweils vier Satelliten. Sie liegen auf einer Höhe von etwa 20.200 Kilometern. Die mit 1575,42 MHz übertragene L1-Frequenz wird für zivile Zwecke genutzt, während die verschlüsselbare L2-Frequenz von 1227,60 MHz für militärische Zwecke reserviert ist. Die Bezeichnung L steht für L-Band und deckt 1000 bis 2000 MHz ab. Auf zivilen Frequenzen werden Navigationsdaten und Standardcodes (C/A-Codes) übertragen, während auf militärischen Frequenzen verschlüsselte Präzisionscodes (P-Codes) übertragen werden, die der Öffentlichkeit nicht bekannt sind.

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Jedes Signal, ob zivil oder militärisch, besteht aus einer Trägerwelle, einem Code und Navigationsdaten. Das von jedem Satelliten übertragene Signal umfasst Orbitaldaten und Startzeit, sodass Empfänger den Quellsatelliten unterscheiden können. Durch ein spezielles Modulationsverfahren können innerhalb eines Frequenzbereichs mehrere Datenströme gleichzeitig übertragen werden, sodass jeder Satellit anhand seiner eindeutigen Codesequenz identifiziert werden kann.

Moderne GPS-Empfänger können mithilfe von Standardcodes die Entfernung zu Satelliten mit einer Genauigkeit von 2,93 Metern bestimmen. Der verschlüsselte P/Y-Code hat eine zehnmal höhere Chiprate als der Standardcode und wird speziell für militärische Zwecke eingesetzt und ermöglicht eine Entfernungsmessung mit einer Genauigkeit von etwa 30 Zentimetern. Seit dem 2. Mai 2000 ist die vorsätzliche Manipulation von Satellitenübertragungszeiten (S/A, Selective Availability) zur Verursachung ungenauer Positionierungen durch zivile GPS-Empfänger auf unbestimmte Zeit verboten. Zu den aktuellen Ortungsstandards gehören der zivile Standard Positioning Service (SPS) und der militärische Precision Positioning Service (PPS), und die Navigationskriegsführung zielt darauf ab, die Sicherheitsstandards zu verbessern.

Aufgrund begrenzter Energiequellen übertragen GPS-Satelliten Signale mit einer Leistung, die mit der von Fernsehsatelliten vergleichbar ist und etwa 50 Watt beträgt. Die große Bandbreite der beiden Frequenzen des Empfängers führt in Kombination mit der unbekannten Richtung des Senders zu einer hohen Rauschkomponente, die das gewünschte Signal maskieren kann. Um dieses Problem zu lösen, multipliziert der Empfänger das empfangene Signal mit seiner eigenen Codesequenz und verbessert so das Signal-Rausch-Verhältnis. Darüber hinaus können Signale aufgrund der Mehrwegeausbreitung Umwege durch Reflexionen von umgebenden Oberflächen nehmen und es kann zu Interferenzen kommen. Eine ordnungsgemäße Antenneninstallation und Abschirmtechniken können zur Linderung dieses Problems beitragen.

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GPS-Störsender

Ein GPS-Störsender ist ein Gerät, das GPS-Signale blockiert oder stört. Aufgrund der schwachen Natur von GPS-Signalen, wenn sie die Erdoberfläche erreichen, können selbst Störsignale mit geringer Leistung bodengestützte Navigationssysteme effektiv stören. Mit einem kleinen GPS-Störsender kann das GPS-Signal in einer Reichweite von zehn Metern gestört werden. Detaillierte Pläne zum Bau eines solchen Störsenders finden sich im Internet. Dies bedeutet, dass Fahrzeuge, die mit GPS-Empfängern ausgestattet sind, ihre Position nicht genau bestimmen können und ihre Navigationssysteme dadurch funktionsunfähig werden.

Während die Auswirkungen von GPS-Signalausfällen durch die Verwendung herkömmlicher Karten für die grundlegende Navigation abgemildert werden können, können die Folgen für militärische Systeme, die stark auf präzise Positions-, Navigations- und Zeitinformationen angewiesen sind, schwerwiegender sein. Kommunikationssysteme verlieren möglicherweise die Fähigkeit, Daten bei netzwerkzentrierten Operationen auszutauschen, und Waffensysteme, die auf GPS-Zeitinformationen und Sensordaten angewiesen sind, können nicht mehr funktionieren.

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