Das Global Positioning System oder GPS, wie es allgemein bekannt ist, ist eine wichtige Komponente der modernen Flugsicherung und ein unschätzbarer Bestandteil des NextGen-Programms der FAA.
GPS-Daten ermöglichen es Piloten, präzise dreidimensionale oder vierdimensionale Positionsdaten zu erhalten. Das GPS-System verwendet Triangulation, um den genauen Standort eines Flugzeugs sowie die Geschwindigkeit, die Spur, die Entfernung zu oder von Kontrollpunkten und die Zeit zu bestimmen.
Geschichte von GPS
Das Militär der Vereinigten Staaten verwendete GPS in den 1970er Jahren als Navigationsinstrument. In den 1980er Jahren stellte die US-Regierung der Allgemeinheit GPS kostenlos mit einem Haken zur Verfügung: Ein spezieller Modus, genannt selektive Verfügbarkeit, würde es ermöglichen, die Genauigkeit von GPS für öffentliche Benutzer gezielt zu reduzieren und nur die genauesten zu reservieren Version von GPS für das Militär.
Im Jahr 2000 wurde unter der Clinton-Regierung die selektive Verfügbarkeit ausgeschaltet, und die gleiche Genauigkeit, von der das Militär profitiert hatte, wurde der Öffentlichkeit zugänglich gemacht.
GPS-Komponenten
Das GPS-System besteht aus drei Komponenten: Raumsegment, Kontrollsegment und Benutzersegmente.
Die Weltraumkomponente besteht aus etwa 31 GPS-Satelliten. Die United States Air Force betreibt diese 31 Satelliten sowie drei bis vier stillgelegte Satelliten, die bei Bedarf reaktiviert werden können. Zu jedem Zeitpunkt sind mindestens 24 Satelliten in einer speziell konstruierten Umlaufbahn in Betrieb, so dass von nahezu jedem Punkt der Erde aus mindestens vier Satelliten gleichzeitig im Blickfeld sind. Die vollständige Abdeckung, die Satelliten bieten, macht das GPS-System zum zuverlässigsten Navigationssystem in der modernen Luftfahrt.
Das Steuersegment besteht aus einer Reihe von Bodenstationen, die verwendet werden, um Satellitensignale zu verschiedenen Empfängern zu interpretieren und weiterzuleiten. Bodenstationen umfassen eine Hauptkontrollstation, eine alternative Hauptkontrollstation, 12 Bodenantennen und 16 Überwachungsstationen.
Das Benutzersegment des GPS-Systems umfasst verschiedene Empfänger aus allen verschiedenen Arten von Industrien. Nationale Sicherheit, Landwirtschaft, Weltraum, Vermessung und Kartierung sind Beispiele für Endbenutzer im GPS-System. In der Luftfahrt ist der Benutzer typischerweise der Pilot, der GPS-Daten auf dem Display im Cockpit des Flugzeugs betrachtet.
Wie es funktioniert
GPS-Satelliten umkreisen etwa 12.000 Meilen über uns und absolvieren alle 12 Stunden einen Orbit. Sie sind solarbetrieben, fliegen in einer mittleren Erdumlaufbahn und senden Funksignale an Empfänger auf dem Boden.
Bodenstationen verwenden die Signale zum Verfolgen und Überwachen von Satelliten, und diese Stationen versorgen die Hauptkontrollstation (MCS) mit Daten. Das MCS liefert dann präzise Positionsdaten an die Satelliten.
Der Empfänger in einem Flugzeug empfängt Zeitdaten von den Atomuhren der Satelliten. Es vergleicht die Zeit, die das Signal benötigt, um vom Satelliten zum Empfänger zu gehen, und berechnet die Entfernung basierend auf dieser sehr genauen und spezifischen Zeit. GPS-Empfänger verwenden Triangulation - Datum von drei Satelliten - um eine genaue zweidimensionale Position zu bestimmen. Mit mindestens vier Satelliten in Sicht und Betrieb können dreidimensionale Standortdaten erhalten werden.
GPS-Fehler
Ionosphäreninterferenz: Das Signal von den Satelliten verlangsamt sich tatsächlich, wenn es durch die Erdatmosphäre strömt. Die GPS-Technologie berücksichtigt diesen Fehler, indem sie eine durchschnittliche Zeit verwendet, was bedeutet, dass der Fehler weiterhin besteht, jedoch begrenzt ist.
- Uhrzeitfehler: Die Uhr am GPS-Empfänger ist möglicherweise nicht so genau wie die Atomuhr auf dem GPS-Satelliten, was zu einem sehr geringen Genauigkeitsproblem führt.
- Orbitalfehler: Orbitberechnungen können ungenau sein, was zu Unklarheiten bei der Bestimmung der genauen Position des Satelliten führt.
- Positionsfehler: GPS-Signale können von Gebäuden oder Gelände abprallen und sogar elektrische Interferenzen auftreten. GPS-Signale sind nur verfügbar, wenn der Empfänger den Satelliten "sehen" kann, was bedeutet, dass die Daten in hohen Gebäuden, dichtem Gelände und unter Tage fehlen oder ungenau sind.
Praktische Verwendung von GPS
GPS wird heute in der Luftfahrt als Quelle der Bereichsnavigation verwendet. Fast jedes heute gebaute Flugzeug verfügt über ein GPS-Gerät, das serienmäßig installiert ist. Allgemeine Luftfahrt, Geschäftsluftfahrt und kommerzielle Luftfahrt haben alle wertvolle Anwendungen für GPS gefunden.
Von grundlegenden Navigations- und Positionsdaten bis hin zu Fluggeschwindigkeit, Ortung und Flughafenstandorten ist GPS ein wertvolles Werkzeug für Flieger.
Installierte GPS-Geräte können für den Einsatz in IMC und für andere IFR-Flüge zugelassen werden. Instrumentenpiloten empfinden GPS als äußerst hilfreich bei der Aufrechterhaltung des Situationsbewusstseins und beim Annähern von Instrumenten. Handheld-Geräte können, obwohl sie nicht für IFR-Anwendungen zugelassen sind, eine hilfreiche Unterstützung für Geräteausfälle sein und ein wertvolles Werkzeug zur Aufrechterhaltung des Situationsbewusstseins in jeder Situation sein.
Piloten, die VFR fliegen, nutzen GPS auch als Navigationsinstrument und als Ersatz für traditionelle Lotsen- und Koppelnavigationstechniken.
Alle Piloten können GPS-Daten in Notfallsituationen schätzen, da die Datenbank es ihnen ermöglicht, den nächstgelegenen Flughafen zu finden, Zeit auf dem Weg zu berechnen, Treibstoff an Bord, Zeit von Sonnenuntergang und Sonnenaufgang und vieles, vieles mehr.
In jüngster Zeit hat die FAA WAAS-GPS-Verfahren für Anflüge aktiviert und einen neuen Präzisionsansatz für Piloten in Form eines Localizer-Performance-Ansatzes mit vertikaler Lenkung (LPV) eingeführt. Dies ist ein Präzisionsansatz, der es dem nationalen Luftraumsystem ermöglichen wird, in Zukunft effizienter zu werden und den Anforderungen des nationalen Luftraumsystems gerecht zu werden.