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Global Positioning System

globales Navigationssatellitensystem
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Das Global Positioning System (GPS) ist ein satellitengestütztes Navigationssystem des US-Verteidigungsministerium zur weltweiten Positionsbestimmung. Das GPS-Satellitensystem löst das alte Satellitennavigationssystem Transit der United States Navy ab, ebenso die Vela-Satelliten zur Ortung von Atombombenexplosionen.

Datei:Navstar-2.jpg
NAVSTAR-Satellit der zweiten Generation
GPS-Empfangsgeräte von Trimble, Garmin und Leica
GPS Empfangsgerät CompactFlash

Die offizielle Bezeichnung ist „Navigational Satellite Timing and Ranging - Global Positioning System“ (NAVSTAR-GPS). NAVSTAR wird manchmal auch als Abkürzung für „Navigation System using Timing and Ranging“ genutzt. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird das System häufig nur noch als GPS bezeichnet. GPS wurde am 17. Juli 1995 offiziell in Betrieb genommen.

Einsatzbereiche

GPS ist ursprünglich zur Positionsbestimmung und Navigation im militärischen Bereich (in Waffensystemen, Kriegsschiffen, Flugzeugen) usw. vorgesehen. Heute wird es jedoch hauptsächlich im zivilen Bereich genutzt: in der Seefahrt, Luftfahrt, durch Navigationssysteme im Auto, zur Orientierung im Outdoor-Bereich, im Vermessungswesen etc. Ebenso wird GPS nun auch im Leistungssport verwendet. Speziell für den Einsatz in Mobiltelefonen wurde das Assisted GPS (A-GPS) entwickelt.

Aufbau und Funktionsweise der Ortungsfunktion

 
GPS-Antenne

Das Prinzip der Satellitenortung beschreibt der Artikel Global Navigation Satellite System.

GPS basiert auf Satelliten, die ständig Signale ausstrahlen, aus deren Signallaufzeit GPS-Empfänger ihre Position bestimmen können. Theoretisch reichen dazu die Signale aus drei Satelliten, da daraus die genaue Position und Höhe bestimmt werden kann. In der Praxis haben aber GPS-Empfänger keine Uhr, die genau genug ist, um daraus die Laufzeiten korrekt berechnen zu können. Deshalb wird das Signal eines vierten Satelliten benötigt.

Mit den GPS-Signalen lässt sich aber nicht nur die Position, sondern auch die Geschwindigkeit des Empfängers bestimmen. Dieses erfolgt im allgemeinen über Messung des Dopplereffektes oder die numerische Differenzierung des Ortes nach der Zeit. Die Bewegungsrichtung des Empfängers kann ebenfalls ermittelt werden und als künstlicher Kompass oder zur Ausrichtung von elektronischen Karten dienen.

Damit ein GPS-Empfänger immer zu mindestens vier Satelliten Kontakt hat, werden insgesamt mindestens 24 Satelliten eingesetzt, die die Erde jeden Sternentag zweimal in einer Höhe von 20.183 km umkreisen. Jeweils mindestens vier Satelliten bewegen sich dabei auf jeweils einer der 6 Bahnebenen, die 55° gegen die Äquatorebene inkliniert (geneigt) sind und gegeneinander um jeweils 60° verdreht sind. Ein Satellit ist damit alle 23 Stunden 55 Min und 56,6 Sekunden über dem gleichen Punkt der Erde.

Ein Satellit hat eine erwartete Lebensdauer von 7,5 Jahren, doch funktionieren die Satelliten häufig deutlich länger. Um Ausfälle problemlos zu verkraften, wurden daher bis zu 31 Satelliten in den Orbit gebracht, sodass man auch bei schlechten Bedingungen 5 oder mehr Satelliten verwenden kann. Aktuell benötigt man 60 Tage für das Austauschen eines Satelliten; aus Kostengründen versucht man diesen Zeitraum auf 10 Tage zu senken und somit die Satellitenanzahl auf 25 zu reduzieren.

Die Signale werden auf zwei Frequenzen ausgesendet:

  • Mit der so genannten L1-Frequenz (1575,42 MHz) wird der C/A-Code („Coarse/Acquisition“) für die zivile Nutzung, der verschlüsselte P/Y-Code („Precision/encrypted“) für die militärische Nutzung und eine Navigationsnachricht übertragen. Die 1500 bit lange Navigationsnachricht enthält alle wichtigen Informationen zum Satelliten (Datum, Identifikationsnummer, Korrekturen, Bahnen, aber auch den Zustand) und benötigt zur Übertragung ungefähr eine halbe Minute. GPS-Empfänger speichern diese Daten normalerweise zwischen. Zur Initialisierung der Geräte werden des Weiteren auch die so genannten Almanach-Daten übertragen, die die groben Bahndaten aller Satelliten enthält und zur Übertragung über zwölf Minuten benötigt.
  • Die zweite Frequenz L2-Frequenz (1227,60 MHz) überträgt nur den P/Y-Code. Durch die Übertragung auf zwei Frequenzen können ionosphärische Effekte, die zur Erhöhung der Laufzeit führen, herausgerechnet werden.
  • Momentan ist eine dritte L5-Frequenz (1176,45 MHz) im Aufbau. Sie soll die Robustheit des Empfangs weiter verbessern und ist vor allem für die Luftfahrt und Safety-of-Life-Anwendungen vorgesehen. Bei der derzeitigen Geschwindigkeit des Ausbaus ist mit einer Fertigstellung ab 2010 und einem Regelbetrieb ab 2013 zu rechnen.

Der gesendete C/A-Code ist eine pseudozufällige, 1023 Bit lange Kette, die bei jedem Satelliten eindeutig ist. Diese 1023 Bits lange Kette wird in 1 ms übertragen. Da die Bits nicht unmittelbar die Informationen tragen, werden sie in diesem Fall häufig als „chips“ bezeichnet. Durch dieses „pseudozufällige Rauschen“ (PRN: Pseudo Random Noise) sind die Signale weniger anfällig gegenüber Interferenzen und alle Satelliten können auf der gleichen Frequenz senden.

In den verwendeten Frequenzbereichen breitet sich die elektromagnetische Strahlung ähnlich wie sichtbares Licht fast geradlinig aus und wird dabei durch das Wetter (Bewölkung, Niederschlag) nur wenig beeinflusst. Deshalb - und durch die geringe Sendeleistung der GPS-Satelliten - ist für den besten Empfang der Signale eine direkte Sichtverbindung zum Satelliten erforderlich. In Gebäuden, Tunneln, Tiefgaragen etc. war ein GPS-Empfang bis vor kurzem nicht möglich. Neue Empfängertechnologien ermöglichen jedoch nun auch Anwendungen in Gebäuden. Auch zwischen hohen Gebäuden kann es durch mehrfach reflektierte Signale (Mehrwege-Effekt) zu Ungenauigkeiten kommen. Zudem ergeben sich z. T. große Ungenauigkeiten bei ungünstigen Satellitenkonstellationen, z. B. wenn nur drei dicht beieinander stehende Satelliten aus einer Richtung zur Positionsberechnung zur Verfügung stehen. Für eine genaue Positionsermittlung sollten möglichst Satellitensignale aus verschiedenen Himmelsrichtungen empfangbar sein.

Für die zentrale Kontrolle des GPS ist die 50th Space Wing des Air Force Space Command (AFSPC) der US Air Force auf der Schriever AFB, Colorado zuständig.

Die technische Realisierung einschließlich ihrer mathematischen Grundlagen wird im Artikel GPS-Technologie beschrieben.

Weitere Aufgaben

Die GPS-Satelliten sind Teil des US-Programms Nuclear Detection System (NDS), früher Integrated Operational Nuclear Detection System (IONDS) genannt, eingebunden in das Verteidigungsprogramm DSP (en:Defense Support Program). Sie verfügen über Sensoren, für Infrarot- und Gammastrahlung (s. a. en:Bhangmeter), ebenso Detektoren für EMP. Damit sollen sie Atombombenexplosionen und Starts von Interkontinentalraketen mit einer Ortsauflösung von 100m registrieren [1].

Eine weitere Aufgabe des GPS Systems besteht in der Bereitstellung eines einheitlichen Zeitsystems. Die Uhren der Satelliten werden mehrmals täglich auf GPS-Zeit synchronsiert. Die von einem GPS-Empfänger empfangene Zeit ist zunächst die GPS-Zeit. In der Satellitennachricht ist aber auch die Abweichung zwischen GPS-Zeit und Koordinierter Weltzeit (UTC) angegeben. Mit der Genauigkeit der GPS-Zeit und der Angabe der Abweichung garantiert das System eine Abweichung von UTC um maximal eine Mikrosekunde, wenn die Laufzeit auch so genau bestimmt wird.

Geschichte

 
Start eines GPS-Satelliten am 26. September 2005 an Bord einer Delta-II-Rakete

Das GPS-Programm wurde mit der Gründung des JPO (Joint Program Office) im Jahre 1973 gestartet. Der erste GPS-Satellit wurde 1978 gestartet. Im Dezember 1993 wurde die anfängliche Funktionsbereitschaft (Initial Operational Capability) festgestellt. Zu diesem Zeitpunkt waren 24 Satelliten im Einsatz. Die volle Funktionsbereitschaft (Full Operational Capability) wurde im April 1995 erreicht und am 17. Juli 1995 bekanntgegeben.

Um nicht-autorisierte Nutzer (militärische Gegner) von einer genauen Positionsbestimmung auszuschließen, wurde die Genauigkeit für Nutzer, die nicht über einen Schlüssel verfügen, künstlich verschlechtert (Selective Availability = SA, mit einem Fehler von größer 100 m). SA musste in den Block-II-Satelliten implementiert werden, weil der C/A-Dienst deutlich besser war als ursprünglich erwartet. Es gab aber fast immer vereinzelte Satelliten, bei welchen SA nicht aktiviert war, sodass genaue Zeitübertragungen möglich waren.

Am 1. Mai 2000 wurde diese künstliche Ungenauigkeit bei allen Satelliten abgeschaltet, sodass das System seitdem auch außerhalb des bisherigen exklusiven Anwendungsbereichs zur präzisen Positionsbestimmung genutzt werden kann. Dies führte unter anderem zum Aufschwung der Navigationssysteme in Fahrzeugen und im Außenbereich, da der Messfehler nun in mindestens 90 % der Messungen geringer als 10 m ist.

Am 25. September 2005 brachte eine Delta-II-Rakete den ersten GPS-Satelliten der Baureihe GPS 2R-M (Modernized) in den Weltraum. Die Antenne wurde verbessert und das Sendespektrum um eine zweite zivile Frequenz und zwei neue militärische Signale erweitert. Seit Dezember im Einsatz erweitert der neue Satellit die Flotte der funktionstüchtigen Satelliten auf 28 (Stand Januar 2006).

Satelliten

Übersicht über die GPS-Satellitenmodelle

GPS 1R

Von dieser Baureihe ist kein Satellit mehr aktiv.

GPS 2R

Masse: 2030 kg
Elektrische Leistung: 1,13 kW
Geschätzte Lebensdauer: 10 Jahre
Transponder: 2x L-Band, 1xS-Band

GPS 2R-M

Start von GPS 2R-M1 (andere Bezeichnungen: Navstar 57, USA 183, GPS 2R-M1, GPS 2R-14): 25. Sept. 2005
Masse: 2060 kg
Elektrische Leistung:
Geschätzte Lebensdauer:
Transponder:
Kosten: 60 Mio EUR

GPS 3R

Start geplant für 2014

Genauigkeit der Positionsbestimmung

Kategorisierung

Es gibt die folgenden zwei Dienstklassen:

  • SPS (Standard Positioning Service) ist für jedermann verfügbar und erreichte ursprünglich eine Genauigkeit von 100 m (in 95 % der Messungen). Seit Mai 2000 wurde die künstliche Ungenauigkeit vom US-Militär abgeschaltet; seitdem beträgt die Genauigkeit ca. 15 m.
  • PPS (Precise Positioning Service) ist der militärischen Nutzung vorbehalten und ursprünglich auf eine Genauigkeit von 22 m (in 95 % der Messungen, die aktuelle Genauigkeit ist unbekannt) ausgelegt worden. Diese Signale werden verschlüsselt ausgestrahlt.

Eine Erhöhung der Genauigkeit (0,5 - 5 m) kann durch Einsatz von Differential-GPS (DGPS) erreicht werden.

Mit der vierten Ausbaustufe soll die bisherige globale Selective Availablity, die bis zum 1. Mai 2000 durch eine globale künstliche Verschlechterung implementiert war, in Krisen- bzw. Kriegsgebieten durch lokale Störung des Empfangs der auch zivil zugänglichen Signale verwirklicht werden.

Des Weiteren sind einige satellitengestützte Erweiterungssysteme (Satellite-Based Augmentation Systems, SBAS) zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit geplant, EGNOS in Europa und WAAS in den USA.

GPS nutzt eine eigene kontinuierliche Atomzeitskala, welche keine Schaltsekunden berücksichtigt. Seit Einführung von GPS im Jahr 1980 hat sich deshalb die Differenz zwischen der GPS-Zeit und der UTC aktuell (2006) auf 14 Sekunden aufsummiert. Der aktuelle Wert dieser Differenz wird im Nutzdatensignal des Systems übertragen.

Es gibt die folgenden zwei Verfahren, um mittels GPS eine Position zu bestimmen:

  • Code: Dieses Verfahren ermöglicht eine recht robuste Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit von weniger als 10 m. Alle preiswerten Empfänger nutzen dieses Verfahren. Mittels DGPS sind Genauigkeiten unter einem Meter möglich.
  • Code + Trägerphase: Unter guten Empfangsbedingungen und mit präzisen Empfängern ist mit diesem Verfahren eine Genauigkeit von unter 5 m möglich. Die Genauigkeitssteigerung rührt aber nicht nur vom geringeren Rauschen der Trägerphasenmessung her, sondern auch von der Verwendung der zweiten Frequenz zur Ionosphärenmessung. Soll der Millimeter-Bereich erreicht werden, so ist dies bisher nur im DGPS-Betrieb möglich, weil auch die lokalen Effekte der Troposphäre berücksichtigt werden müssen.

In Fahrzeugen können zusätzlich Odometrie-Daten wie Geschwindigkeit und Beschleunigung genutzt werden, um die Position präziser zu bestimmen oder auch noch in Funklöchern wie z. B. Tunneln eine Position ermitteln zu können.

Effekte der Relativitätstheorie

Die Zeit, die die Atomuhren auf den GPS-Satelliten anzeigen, unterliegt den Effekten der relativistischen Zeitdilatation. Dabei hängt nach der allgemeinen Relativitätstheorie die Ganggeschwindigkeit einer Uhr vom Ort im Gravitationsfeld ab und nach der speziellen auch von ihrer Geschwindigkeit. Das höhere Gravitationspotenzial in der Satellitenbahn lässt die Zeit schneller vergehen, die Bahnbewegung der Satelliten relativ zu einem ruhenden Beobachter auf der Erde verzögert sie. In einer Flughöhe von ca. 3000 km heben sich beide Effekte gerade auf, in der GPS-Satellitenbahn überwiegt der gravitative Effekt um mehr als das 6-fache. Auf den Satelliten geht damit die Zeit vor. Der relative Gangunterschied zu einer irdischen Uhr liegt zwar bei nur 4,4·10-10, er ist jedoch deutlich größer als die relative Ganggenauigkeit von Rubidium-Atomuhren, die besser ist als 10-14.

Oft wird irrtümlich darauf hingewiesen, dass diese Gangunterschiede zu einem Positionsbestimmungsfehler von mehreren Kilometern pro Tag führten, wenn sie nicht korrigiert würden. Ein solcher Fehler würde aber nur dann auftreten, wenn die Positionsbestimmung über die Ermittlung der Abstände des GPS-Empfängers zu 3 Satelliten anhand eines Uhrenvergleichs mit einer Uhr im Empfänger erfolgte. In diesem Fall würde sich bei jeder dieser Abstandsbestimmungen ein Fehler von ca. 12 km pro Tag anhäufen. Gewöhnliche GPS-Empfänger sind aber nicht mit einer Atomuhr ausgestattet. Statt dessen werden die Zeitsignale (C/A-Code) der empfangbaren Satelliten ausgewertet, wobei für eine Positionsbestimmung mindestens 4 Satelliten erforderlich sind. Da alle Satelliten den gleichen relativistischen Effekten ausgesetzt sind, tritt ein Positionsbestimmungsfehler dieser Art hier gar nicht auf.

Damit die Satellitensignale des GPS außer zur Positionsbestimmung auch als Zeitstandard verwendet werden können, wird der relativistische Gangunterschied der Uhren allerdings kompensiert. Dazu wird die Schwingungsfrequenz der Satelliten-Uhren auf 10,229999995453 MHz verstimmt, so dass trotz der relativistischen Effekte ein synchroner Gang mit einer irdischen Uhr mit 10,23 MHz gewährleistet ist. Weitere relativistische Effekte wie z.B. der Sagnac-Effekt sind so klein, dass sie bei stationären Empfängern nicht gesondert berücksichtigt werden müssen. Darüber hinaus werden die Uhren mehrmals täglich synchronisiert, und damit auch alle sonstigen Effekte eliminiert, die einen synchronen Gang mit einer irdischen Uhr stören könnten.

Differential-GPS

Differential Global Positioning System (DGPS) ist eine Bezeichnung für Verfahren, die mehrere GPS-Empfänger zur Erhöhung der Genauigkeit verwenden. Bei dem Verfahren gibt es einen Empfänger, dessen Position bestimmt werden soll (Rover) und mindestens einen weiteren Empfänger, dessen Position bekannt ist (GPS-Basisstation). Eine Basisstation kann diverse Informationen über die Ursachen ermitteln, warum die mittels GPS bestimmte Position fehlerhaft ist, da deren Position bekannt ist. Mit diesen Informationen (Korrekturdaten) von einer Basistation kann ein Rover seine Genauigkeit erhöhen. Die erreichbare Genauigkeit ist u. a. vom Abstand zwischen Rover und Basisstation abhängig.

Methoden des DGPS:

  • Bei dem einfachsten Verfahren übermittelt die Basisstation ihren Positionsfehler an den Rover. Dieser korrigiert entsprechend seine Position. Dies funktioniert nur, wenn beide Empfänger die gleichen Satelliten auswerten (dies ist nur über kurze Distanz und in gleicher Umgebung der Fall).
  • Bei der Methode der Pseudorange-Korrektur berechnet die Basisstation die Fehler der Strecken zu den Satelliten und übermittelt diese an den Rover. So ist auch eine Korrektur möglich, wenn von der Basisstation und dem Rover unterschiedliche Satelliten empfangen werden. Es sind Genauigkeiten <1 m möglich.
  • Bei den sehr genauen Phasenmessungen wird folgendes Verfahren angewendet:(?). Auf diese Weise ist eine Genauigkeit von ± 1 bis ± 10 mm pro km Abstand zur Basisstation zu erreichen.

Die Übermittlung der Korrekturdaten von einer Basisstation zum Rover kann mittels Funk erfolgen. Ein Rover ist dann sofort in der Lage, seine Genauigkeit zu erhöhen. Auch im Nachhinein kann eine Korrektur erfolgen, wenn Rover und Basisstation alle Daten zur Positionsbestimmung aufzeichnen (Postprocessing).

Die Korrekturdaten können von einem Anwender selbst erzeugt werden (mittels eines zweiten GPS-Empfängers) oder von div. Anbietern bezogen werden (ALF, AMDS, SAPOS, ascos usw.).

Für die Bundesrepublik Deutschland werden Differential-Stationen von der Wasser- u. Schifffahrtsverwaltung betrieben. Diese Stationen arbeiten nach dem internationalen IALA-Standard und senden Korrekturdaten auf Mittelwelle für den Küsten- und Binnenbereich aus. Zentrale technische Behörde ist die Fachstelle der WSV für Verkehrstechniken in Koblenz.

Datenformat

Als Standardformat von GPS-Daten dient das RINEX-Format, eine Standard- und Formatdefinition, die einen freien Austausch von GPS-­Rohdaten ermöglichen soll.

Siehe auch NMEA 0183

Störsender

Für das GPS-System existieren sogenannte GPS-Jammer (Jammer = engl. für Störsender).

Alternativen

Transit
Der Vorgänger des GPS von den USA (Sendefrequenz: 150 und 400 MHz). Entwickelt ab 1958, in Betrieb seit 1964 und zivil ab 1967 genutzt. Seit dem 31. Dezember 1996 als Navigationssystem außer Betrieb. (Da das System weiter sendete, wurde es danach als Navy Ionospheric Monitoring System (NIMS) weiterbetrieben.)
GLONASS
Das russische Pendant zum amerikanischen NAVSTAR-GPS.
Euteltracs
Europäisches Positionssystem für Fernverkehr (sehr ungenau). Es sendet auf einer Frequenz von 10-14 GHz. Seit 1991 in Betrieb.
Galileo
Die ESA wurde von der EU beauftragt, von der Industrie ein europäisches System zur Satellitennavigation mit dem Namen Galileo entwickeln zu lassen. Die Entwicklungs- und Testphase wurde im Dezember 2004 in einem 4-Jahresvertrag an die Industrie vergeben. Nach Ablauf dieses Vertrages sollen 4 Galileo-Satelliten im All und der Großteil des Bodensegments installiert sein. Der ursprüngliche Zeitplan sieht wie folgt aus: Bis 2005 Entwicklungs- und Testphase, Aufbau des Satellitennetzes ab 2006, Inbetriebnahme ab 2008. (Stand Juli 2004)
Es wird mindestens vier Dienste (OS, CS, SoL, PRS) geben. Die zivile und kostenlose Positionsbestimmung (OS) wird eine Genauigkeit von 5-8 m bereitstellen. Beim SoL-Dienst wird zusätzlich noch Integrität, also die rechtzeitige Warnung des Nutzers, wenn der Positionierungsfehler größer als eine vorgegeben Schranke (12 m horizontal, 20 m vertikal) ist, bereitgestellt. Der PRS-Dienst wird die Bedürfnisse staatlicher Organisationen befriedigen. Im CS-Dienst können noch zusätzlich Informationen mit geringer Datenrate an Abonnenten übertragen werden.
MTSAT
Das Multifunction Transport Satellite System ist eine Entwicklung Japans (Frequenz 1,2 GHz). Noch in der Experimentierphase. (Stand 2003)
Beidou
Das Navigationssystem der Volksrepublik China (Sendefrequenz 1,4 GHz). Seit 2004 in Betrieb, allerdings beschränkt sich die Nutzung auf den asiatischen Bereich.

GPS und Datenschutz

Der Aufenthaltsort des Trägers eines GPS-Empfängers lässt sich, da die Geräte nur passiv arbeiten und keine Signale senden, nicht verfolgen. Für eine GPS-Überwachung benötigt man eine Kombination aus einem passiven GPS-Empfänger mit einem aktiven Sender, der die ermittelten Positionsdaten an Dritte weitergibt.

Der Einsatz eines so kombinierten Gerätes bietet bis dato unbekannte Überwachungsmöglichkeiten und wirft damit neue datenschutzrechtliche Probleme auf, etwa durch den Einsatz in der polizeilichen Überwachung oder in Diebstahlschutzsystemen.

Eine vieleinfachere Bewegungsüberwachung lässt sich mittels GSM-Modulen erreichen (Telefone, OEM-Platinen, ...), da sich die GSM-Netzstruktur in kleine Unterzonen (rund 1-2km² in der Stadt und 5-10km² auf den Land] aufgeteilt ist. Versorgt werden die Unterzonen von den an den Rändern aufgestellten Sendesationen, deren Position sehr exakt bekannt ist. Die Unterzonengröße ergibt sich meist aus praktischen Gründen, dass ein gelegentlicher Wechsel zu nahen Nachbarstationen erfolgen kann, wenn etwa eine Station ausfällt, oder überlastet ist. Neben der sehr ungenauen Unterzonenkennung gibt es noch die Möglichkeit des Richtungssuchens und der Signallaufzeitinterpretation. Beim bestimmen der Senderichtung wird der Messempfänger (spez. Hardware nötig) gedreht, bis das anliegende Signal am stärksten anliegt. Die Signallaufzeitinterpretation ermöglicht eine Entfernungsbestimmung des Senders mit Genauigkeiten von biszu wenigen Metern. Im Zweifelsfall ist es außerdem möglich die Senderposition mittels Dreieckspeilung zu bestimmen. Die starkvereinfachte Beschreibung findet täglich in allen GSM-Netzen Anwendung, da die Informationen für den normalen Netzbetrieb benötigt werden und somit vorhanden sind. Sie müssen nur gesammelt werden. Die Entfernungsbestimmung ist nur im aktiven Sendebetrieb möglich.

welche von bekannten Sendesationen versorgt wird, deren exakter Standort bekannt ist und die Abstände so klein sind, dass immer ein Wechsel zwischen mehreren Stationen möglich ist, so dass eine einfache Dreieckspeilung

von einzelnen, bekannten Sendestationen realisiert wird.

GPS wird von der deutschen Polizei für Ermittlungen eingesetzt. Es dient zur Überwachung bestimmter Fahrzeuge und Fahrer. Im April 2005 entschied das Bundesverfassungsgericht, dass der Einsatz des satellitengestützten Systems zur Überwachung in einem strafrechtlichen Ermittlungsverfahren nicht gegen das Grundgesetz verstoße. Der Zweite Senat wies mit diesem Urteil eine Verfassungsklage eines Ex-Mitglieds der Antiimperialistischen Zellen (AIZ) zurück, der beanstandet hatte, eine zweieinhalb Monate andauernde Überwachung seines Fahrzeugs und dessen verschiedener Nutzer habe in übertriebener Weise in Grundrechte der Überwachten eingegriffen.

GPS in der Praxis

Handelsübliche zivile GPS-Geräte für Verbraucher eignen sich vor allem für den Einsatz im Auto und im "Outdoor"-Bereich. Handelsübliche GPS-Empfänger (GPS-Mäuse) verwenden meist das NMEA-Datenformat zur Ausgabe der Positionsdaten.

Im Auto

Hier handelt es sich um GPS-Geräte, die mit umfangreicher Landkarten- und Stadtplan-Software ausgestattet sind. Sie ermöglichen meist akustische Richtungsanweisungen an den Fahrer, der zu Beginn der Fahrt bloß den Zielort (z. B. Straßenname) einzugeben braucht. Im Auto wird bei Festeinbauten ab Werk (siehe Head Unit) unterschieden zwischen Systemen, die Sprachausgabe mit Richtungsangaben auf einem LCD (meist im Autoradioschacht) kombinieren, sowie Sprachausgabe mit farbiger Landkartendarstellung, bei welcher der Fahrer besser räumlich sieht, wo er unterwegs ist.

In letzter Zeit haben PDA-Systeme starken Zuwachs erhalten, weil sie in jedem Fahrzeug sofort eingesetzt werden können, immer einen Farbbildschirm mitbringen, und über Lebensmitteldiscounter zu volkstümlichen Preisen in regelmäßigen Aktionen verkauft werden.

Bei den meisten Festeinbauten ab Werk sowie neuesten PDA-Lösungen werden Verkehrsmeldungen des TMC-Systems automatisch mit berücksichtigt, sodass der Fahrer automatisch an Staus oder Behinderungen vorbei dirigiert wird.

Festeingebaute Systeme sind in der Regel zwar erheblich teurer als mobile Geräte in Form von z. B. PDAs, haben jedoch den Vorteil, dass sie mit der Fahrzeugelektronik gekoppelt werden und die Überbrückung in Bereichen ohne Empfang des Signals (z. B. in Tunneln) erheblich zuverlässiger arbeitet.

Der Vorteil der stark zunehmenden Navigation in Autos liegt darin, dass der Fahrer sich ganz auf den Verkehr konzentrieren kann, es ist ein Komfortmerkmal für den Fahrer navigiert zu werden. Auch kann ca. 1-3% Treibstoffverbrauch eingespart werden, wenn alle Fahrzeuge den optimalen Weg wählen würden.

Es darf jedoch auch nicht unerwähnt bleiben, dass vor allem Geräte mit graphischer Anzeige dazu neigen den Fahrer abzulenken und es daher vermehrt zu Unfällen aufgrund von Unachtsamkeit kommt.

GPS kann auch zur Diebstahlsicherung genutzt werden. Hierzu wird die GPS-Anlage mit einem GSM-Modem kombiniert. Das Gerät ist dann jederzeit per Handy ortbar. In Verbindung mit einem PC und entsprechender Software kann auch gleich die entsprechende Straße und der Ort abgelesen werden.

Im "Outdoor"-Bereich

GPS-Geräte eignen sich auch zum Einsatz am Fahrrad, beim Wandern (z. B. als kompaktes Gerät am Handgelenk) oder auf einem Boot. Der Funktionsumfang der im Handel erhältlichen Geräte richtet sich nach Anwendungsbereich und Preis. Schon einfache Geräte können heute nicht bloß die Längen- und Breitengrade anzeigen, sondern auch Richtungsangaben machen, Entfernungen berechnen und die aktuelle Geschwindigkeit angeben. Die Anzeige kann so eingestellt werden, dass ein Kompasssymbol ausgegeben wird, das nicht nach Norden, sondern in die Richtung zeigt, die vom Benutzer durch die Eingabe der Zielkoordinaten (Wegpunkt) angegeben worden ist. GPS-Geräte stellen hier eine Weiterentwicklung der klassischen Navigation mit Bussole (Kompass) und Karte dar. Hochwertige, moderne Geräte können neben Wegpunkten, Routen und Track Logs auch digitale Karten speichern und damit den aktuellen Standort auf einer Karte darstellen. Für den Outdoor-Bereich liegen für verschiedene Länder Topografische Karten im Maßstab 1:25.000 zur Nutzung mit dem GPS vor.

Wenngleich die "Outdoor"-GPS-Geräte dafür nicht primär gedacht sind, können selbst kleine Armbandgeräte in Autos oder in der Bahn (Fensterplatz) verwendet werden; der Empfang in Gebäuden ist jedoch mit diesen Geräten gewöhnlich nicht möglich.

Verwandte Themen

Literatur

  • G. Seeber: Satellite Geodesy. de Gruyter, 2003
  • G. Xu: GPS - Theory, Algorithms and Applications. Springer-Verlag, 2003, ISBN 3540678123
  • M. Bauer: Vermessung und Ortung mit Satelliten (2002)
  • Jörg Roth: Mobile Computing, dpunkt, 2002, ISBN 3898641651
  • E. Kaplan, editor. Understanding GPS: Principles and Applications. Artech House, 1996
  • Global Positioning System: Theory & Applications (Volume One) (Progress in Astronautics and Aeronautics) by Bradford W. Parkinson (Editor), James J., Jr Spilker (Editor)
  • J. Strobel: Global Position System, CD mit dem Inhalt des gleichnamigen Buches, Ausgabe 1995
  • Rainer Höh: GPS-Outdoor-Navigation, Reise Know-How Verlag Rump, Februar 2005, ISBN 383171116X
  • Uli Benker: GPS, Praxisbuch und Ratgeber für die GPS-Navigation auf Outdoor-Touren, Bruckmann-Verlag, 2005, ISBN 3-7654-4252-6
  • Ralf Schönfeld: Das GPS-Handbuch, 2 Bände Grundlagen und Anwendung, Verlagshaus Monsenstein und Vannerdat, 2005, ISBN 3-86582-234-7
Commons: Global Positioning System – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
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