Global Positioning System

Datei:Gps empfaenger kl.jpg
GPS Empfangsgeräte
von Trimble, Garmin und Leica
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Das Global Positioning System (GPS) ist ein satellitengestütztes System zur weltweiten Positionsbestimmung, das vom Verteidigungsministerium der USA betrieben wird. Die offizielle Bezeichnung ist NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging).

Einsatzbereiche

GPS ist ursprünglich zur Positionsbestimmung und Navigation im militärischen Bereich (in Waffensystemen, Kriegsschiffen, Flugzeugen) vorgesehen. Es wird jedoch auch zivil genutzt in der Seefahrt, Luftfahrt, durch Navigationssysteme im Auto, zur Orientierung im Outdoor-Bereich etc. In der Seefahrt löste GPS verschiedene ältere, auf Funk basierende Navigationssysteme wie z.B. Decca oder OMEGA ab.

Aufbau

GPS basiert auf insgesamt 24 Satelliten, die die Erde umkreisen und dabei Signale ausstrahlen, die von speziellen Empfangsgeräten ausgewertet werden. Aus den Laufzeitunterschieden verschiedener Signale kann der GPS-Empfänger den Abstand zu den einzelnen Satelliten und daher seine Position relativ zu diesen Satelliten errechnen. Für eine solche räumliche Positionsbestimmung sind die Signale von mindestens vier Satelliten notwendig. Da die Daten der Umlaufbahnen der Satelliten bekannt sind, kann daraus die Position auf der Erdoberfläche und die Höhe bestimmt werden. Voraussetzung ist, dass die Daten von den Satelliten mit einem Zeitstempel versehen werden und synchronisiert ausgestrahlt werden. Dafür ist jeder Satellit mit Atomuhren ausgestattet. Ein GPS-Signal enthält Informationen zum Status des Satelliten, seiner Umlaufbahn sowie seine genaue Uhrzeit.

Empfang

GPS-Satelliten senden auf den Frequenzen 1575.42 MHz und 1227.6 MHz. Die Signale werden durch pseudozufälliges Rauschen (pseudorandom noise) aufgespreizt und sind dadurch weniger anfällig gegenüber Interferenzen. In den verwendeten Frequenzbereichen verhält sich die elektromagnetische Strahlung ähnlich wie sichtbares Licht. So ist für den korrekten Empfang eine direkte Sichtverbindung erforderlich. Der GPS-Empfang unterliegt zwar nicht den Wettereinflüssen, ist jedoch in Gebäuden, Tunneln, Tiefgaragen etc. nicht möglich. Auch zwischen hohen Gebäuden kann es durch reflektierte Signale zu Ungenauigkeiten kommen.

Ausbau

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, es war jedoch nur eine grobe Positionsbestimmung (SPS) möglich. Die volle Funktionsbereitschaft (Full Operational Capability), die eine genaue Positionsbestimmung (PPS) einschließt, wurde im April 1995 bekanntgegeben.

Dienstklassen

Es gibt die folgenden zwei Dienstklassen:

SPS (Standard Positioning Service) ist für jedermann verfügbar und ist ursprünglich auf eine Genauigkeit von 100 Metern (in 95% der Messungen) ausgelegt worden.

PPS (Precise Positioning Service) ist der militärischen Nutzung vorbehalten und ist ursprünglich auf eine Genauigkeit von 22 Metern (in 95% der Messungen) ausgelegt worden. Diese Signale werden verschlüsselt ausgestrahlt.

Künstliche Verschlechterung

Um nicht-autorisierte Nutzer (militärische Gegner) von einer genauen Positionsbestimmung auszuschließen, wurde die Genauigkeit für SPS künstlich verschlechtert (Selective Availability, SA). Am 1. Mai 2000 wurde diese künstliche Ungenauigkeit abgeschaltet, so dass das System seitdem auch außerhalb des bisherigen exklusiven Anwendungsbereichs zur präzisen Positionsbestimmung genutzt werden kann. Dies führte unter anderem zum Boom der Navigationssysteme in Autos und im Outdoor-Bereich, da die Messgenauigkeit nun in mindestens 90 Prozent der Messungen besser als 10 Meter ist. Eine weitere Erhöhung der Genauigkeit (3-5 Meter) kann mittels Differential GPS (DGPS) erreicht werden.

Mit der dritten Ausbaustufe soll die bisherige globale künstliche Verschlechterung nur noch lokal z.B. in Kriesen- bzw. Kriegsgebieten einschaltbar sein.

Konkurenz

GLOBASS

Das russisches Pendant zum GPS trägt die Bezeichnung GLONASS.

Galileo

Bei der ESA ist ein europäisches System zur Satellitennavigation mit dem Namen Galileo in der Entwicklung, da es für zivile Anwender bislang keine Alternativen zum US-amerikanischen GPS gibt und die zivile Nutzung davon abhängt, welche Genauigkeit das US-Militär bereitstellt.

Siehe auch: Geocaching