Global Positioning System (GPS) für Piloten

Das Global Positioning System (GPS) ist eine wichtige Komponente der modernen Luftfahrt und ein unschätzbarer Bestandteil des NextGen-Programms der FAA.

Mit GPS-Daten können Piloten präzise dreidimensionale oder vierdimensionale Positionsdaten abrufen. Das GPS-System verwendet Triangulation, um den genauen Standort eines Flugzeugs sowie Geschwindigkeit, Spur, Entfernung zu oder von Kontrollpunkten und Zeit zu bestimmen.

Geschichte des GPS

Das US-Militär verwendete in den 1970er Jahren erstmals GPS als Navigationsinstrument. In den 1980er Jahren stellte die US-Regierung der breiten Öffentlichkeit GPS kostenlos mit einem einzigen Haken zur Verfügung: Ein spezieller Modus namens Selective Availability würde aktiviert, um die Genauigkeit von GPS für öffentliche Benutzer gezielt zu verringern und nur die genauesten zu reservieren Version von GPS für das Militär.

Im Jahr 2000 wurde unter der Clinton-Regierung die selektive Verfügbarkeit deaktiviert und die gleiche Genauigkeit, von der das Militär profitiert hatte, der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt.

GPS-Komponenten

Das GPS-System besteht aus drei Komponenten: dem Weltraumsegment, dem Steuerungssegment und dem Benutzersegment.

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. In einer speziell entwickelten Umlaufbahn sind zu jedem Zeitpunkt mindestens 24 Satelliten einsatzbereit, wodurch sichergestellt wird, dass von nahezu jedem Punkt der Erde aus mindestens vier Satelliten gleichzeitig im Blick 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, mit denen Satellitensignale interpretiert und an verschiedene Empfänger weitergeleitet werden. Bodenstationen umfassen eine Hauptsteuerstation, eine alternative Hauptsteuerstation, 12 Bodenantennen und 16 Überwachungsstationen.

Das Anwendersegment des GPS-Systems umfasst verschiedene Empfänger aus den unterschiedlichsten Branchen. Nationale Sicherheit, Landwirtschaft, Weltraum, Vermessung und Kartierung sind Beispiele für Endbenutzer im GPS-System. In der Luftfahrt ist der Benutzer in der Regel der Pilot, der die im Cockpit des Flugzeugs angezeigten GPS-Daten anzeigt.

Wie es funktioniert

GPS-Satelliten kreisen etwa 20.000 Kilometer über uns und schaffen alle 12 Stunden eine Umlaufbahn. Sie sind solarbetrieben, fliegen in einer mittleren Erdumlaufbahn und senden Funksignale an Empfänger am Boden.

Bodenstationen verwenden die Signale, um Satelliten zu verfolgen und zu überwachen, und diese Stationen versorgen die Hauptsteuerstation (MCS) mit Daten. Das MCS liefert dann genaue 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 gelangen, und berechnet die Entfernung basierend auf dieser sehr genauen und spezifischen Zeit. GPS-Empfänger verwenden Triangulation - Datum von drei Satelliten -, um einen präzisen zweidimensionalen Standort zu bestimmen. Mit mindestens vier Satelliten im Blick und in Betrieb können dreidimensionale Positionsdaten erhalten werden.

GPS-Fehler

Interferenz der Ionosphäre: Das Signal der Satelliten verlangsamt sich tatsächlich, wenn es durch die Erdatmosphäre fließt. Die GPS-Technologie berücksichtigt diesen Fehler, indem sie eine durchschnittliche Zeit benötigt. Dies bedeutet, dass der Fehler weiterhin besteht, aber begrenzt ist.

• Uhrfehler: Die Uhr des GPS-Empfängers ist möglicherweise nicht so genau wie die Atomuhr des GPS-Satelliten, was zu einem geringfügigen Genauigkeitsproblem führt.
• Orbitalfehler: Umlaufbahnberechnungen können ungenau sein und Unklarheiten bei der Bestimmung des genauen Satellitenstandorts verursachen.
• Positionsfehler: GPS-Signale können von Gebäuden, Gelände und sogar elektrischen Interferenzen abprallen. GPS-Signale sind nur verfügbar, wenn der Empfänger den Satelliten "sehen" kann, was bedeutet, dass die Daten in hohen Gebäuden, dichtem Gelände und unterirdisch fehlen oder ungenau sind.

Praktische Verwendung von GPS

GPS wird heutzutage in der Luftfahrt häufig als Quelle für die Flächennavigation verwendet. Fast jedes Flugzeug, das heute gebaut wird, ist standardmäßig mit einem GPS ausgestattet. Die allgemeine Luftfahrt, die Geschäftsluftfahrt und die kommerzielle Luftfahrt haben alle wertvolle Verwendungen 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 der Annäherung an Fluginstrumente. Handheld-Geräte sind zwar nicht für die IFR-Verwendung zugelassen, können jedoch eine hilfreiche Unterstützung bei Geräteausfällen sein und in jeder Situation ein wertvolles Instrument zur Aufrechterhaltung des Situationsbewusstseins sein.

Piloten, die VFR fliegen, verwenden GPS auch als Navigationsinstrument und als Ersatz für traditionelle Lotsen- und Abrechnungstechniken.

Alle Piloten können GPS-Daten in Notfallsituationen abrufen, da sie in der Datenbank nach dem nächstgelegenen Flughafen suchen, die Reisezeit, den Kraftstoffverbrauch, die Sonnenauf- und -untergangszeit und vieles mehr berechnen können.

In jüngster Zeit hat die FAA WAAS-GPS-Verfahren für Anflüge aktiviert und einen neuen Präzisionsansatz für Piloten in Form eines Localizer Performance with Vertical Guidance (LPV) -Ansatzes eingeführt. Dies ist ein Präzisionsansatz, der es dem nationalen Luftraumsystem ermöglicht, wesentlich effizienter zu werden und die künftigen Anforderungen des nationalen Luftraumsystems zu erfüllen.