Global Positioning System

GPS Empfangsgeräte von Trimble, Garmin und Leica

Das Global Positioning System (GPS) ist ein satellitengestütztes System zur weltweiten Positionsbestimmung, das vom Verteidigungsministerium der USA betrieben wird. GPS löste das ältere Satellitennavigationssystem Transit der USNavy ab.

Die offizielle Bezeichnung war zu Beginn NAVSTAR - GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positionig System). Seit einigen Jahren wird das System nur noch als GPS (Global Positioning System) 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) vorgesehen. Es wird heute jedoch zivil mehr als militärische genutzt: in der Seefahrt, Luftfahrt, durch Navigationssysteme im Auto, zur Orientierung im Outdoor-Bereich, im Vermessungswesen etc. In der Seefahrt löste GPS verschiedene ältere, auf Funk basierende Navigationssysteme wie z.B. Decca oder OMEGA ab.

Aufbau und Funktionsweise

GPS basiert auf insgesamt 24 Satelliten, die die Erde umkreisen und dabei Signale ausstrahlen, die von speziellen Empfangsgeräten ausgewertet werden. Derzeit (2003) sind wegen frequentierendem Austausch sogar 28 Satelliten im Orbit der Erde. Aus den Laufzeiten, die die Satellitensignale benötigen, um vom Satelliten zum Satellitenempfänger zu gelangen, 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 theoretisch die Signale von mindestens drei Satelliten notwendig. Dies würde aber nur dann funktionieren, wenn die Uhren in den Satellitenempfängern praktisch fehlerfrei arbeiten würden. Derartige Satellitenempfänger sind aber nur mit einem so großem Aufwand zu realisieren, dass diese Variante unrealistisch ist.Daher benötigt man einen vierten Satelliten - und damit eine vierte Messgröße - um neben den 3 Messgrößen geographische Länge, geographische Breite und Höhe auch noch den jeweiligen Uhrenfehler des Satellitenempfängers mit zu bestimmen.

Voraussetzung für diese Berechnungen ist, - dass die Daten der Umlaufbahnen der Satelliten bekannt sind, - dass die Daten von den Satelliten mit einem Zeitstempel versehen werden und synchronisiert ausgestrahlt werden.

Dafür ist jeder Satellit mit Cäsium-Atomuhren ausgestattet. Ein GPS-Signal enthält Informationen zum Status des Satelliten, seiner Position sowie seine genaue Uhrzeit. Neuerdings bestimmen einige der Satelliten ihre eigene (relative) Position sogar via GPS. Die hauptsächliche Positionsbestimmung der Satelliten selbst übernehmen jedoch Bodenstationen.

Positionsbestimmung in Fahrzeugen wird durch Einbeziehen von Fahrtrichtung und -geschwindigkeit (Geschwindigkeitssensoren und Kompass) und Kartendaten wesentlich verbessert.

GPS-Satelliten senden auf den Frequenzen 1575,42 MHz und 1227,6 MHz. Die Signale werden durch pseudozufälliges Rauschen (PRN = 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 - sofren man Ereignisse in der Ionosphähre nicht zum Wettergeschehen rechnen - ist jedoch in Gebäuden, Tunneln, Tiefgaragen etc. nicht möglich. Auch zwischen hohen Gebäuden kann es durch reflektierte Signale zu Ungenauigkeiten kommen.

GPS-Satelliten-Typen

Durch sich ständig verbessernde Technologien werden die GPS-Satelliten fortwährend ausgetauscht. Den jeweiligen Generationen liegen folgende Bezeichnungen zugrunde:

Block: I : 1978
Block: II : 1989
: IIA : 1990 : (advanced)
: IIR : 1999 : (replenishment)
: IIR-M : 2003 : (modernisation)
: IIF : 2014 : (following-on)
Block: III : 2012

Geschichte

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.

Genauigkeit

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.

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 Aufschwung der Navigationssysteme in Fahrzeugen und im Außenbereich, da die Messgenauigkeit nun in mindestens 90 Prozent der Messungen besser als 10 Meter ist. Eine weitere Erhöhung der Genauigkeit (0,5 -5 Meter) kann mittels Differential GPS (DGPS) erreicht werden.

Mit der dritten Ausbaustufe soll die bisherige globale künstliche Verschlechterung lokal z. B. in Krisen- bzw. Kriegsgebieten einschaltbar sein. Dies erhöht die Abhängigkeit der GPS-Nutzer in aller Welt vom politischen Willen der USA.

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

Störsender

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

Alternativen

Transit: Der Vorgänger des GPS von den USA. Sendefrequenz: 150-400 MHz - Entwickelt ab 1958; in Betrieb seit 1964; zivile Nutzung seit 1967; seit 2002 außer Betrieb

GLONASS: Das russisches Pendant zum GPS trägt die Bezeichnung GLONASS.

Euteltracs: Europäisches Positionssystem für Fernverkehr (sehr ungenau). Es sendet mit einer Frequenz von 10-14 GHz. Ist seit 1991 in Betrieb.

Galileo: Bei der ESA ist ein europäisches System zur Satellitennavigation mit dem Namen Galileo in der Entwicklung (Stand 2003), 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.
: Es wird mindestens vier Services (siehe SPS und PPS) anbieten. Die zivile und kostenlose Positionsbestimmung wird eine Genauigkeit von 5-8 Metern bereitstellen.

MTSAS: (Multifunction Transport Satellite System) ist die Entwicklung Japans. Es sendet mit einer Frequenz von 1,2 GHz. - noch in der Experimentierphase (Stand 2003)

Bei Dou: in China (Satellite Positioning System) Frequenz: 1,4 GHz - noch in der Experimentierphase (Stand 2003)

Siehe auch: Geocaching

Weblinks