Global Positioning System
Das Global Positioning System (GPS) ist ein satellitengestütztes Navigationssystem zur weltweiten Positionsbestimmung, das vom Verteidigungsministerium der USA betrieben wird. GPS löste das ältere Satellitennavigationssystem Transit der United States Navy ab.
Die offizielle Bezeichnung war zu Beginn NAVSTAR - GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning 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.
Table of contents |
2 Aufbau und Funktionsweise 3 GPS-Satelliten-Typen 4 Geschichte 5 Genauigkeit 6 Störsender 7 Alternativen 8 Weblinks |
Einsatzbereiche
GPS ist ursprünglich zur Positionsbestimmung und Navigation im militärischen Bereich (in Waffensystemen, Kriegsschiffen, Flugzeugen) vorgesehen.
Heute wird es jedoch auch im zivilen Bereich 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.
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 Interferenzenen. 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 - sofern man Ereignisse in der Ionosphäre 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 | Jahr | Anmerkung |
I | 1978 | |
II | 1989 | |
IIA | 1990 | (advanced) |
IIR | 1999 | (replenishment) |
IIR-M | 2003 | (modernisation) |
IIF | 2014 | (following-on) |
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:
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 % der Messungen besser als 10 m ist. Eine weitere Erhöhung der Genauigkeit (0,5 -5 m) kann durch Einsatz von 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.
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 bis Ende 2003 auf 13 Sekunden aufsummiert. Der aktuelle Wert dieser Differenz wird im Nutzdatensignal des Systems übertragen.
Um jene Genauigkeiten zu erreichen, die in der Geodäsie notwendig sind, wird die Methode der relativen Punktbestimmung verwendet. In diesem Fall wird nicht die absolute Position eines Standpunktes berechnet, sondern es wird mit (mindestens) zwei GPS-Empfängern gearbeitet. Einer befindet sich auf einem bekannten Punkt (Festpunkt), der zweite auf dem neu zu bestimmenden (Neupunkt). Bei der Auswertung wird die Differenz zwischen den beiden Punkten als Raumvektor berechnet. Durch diese Differenzbildung können verschiedene Störeinflüsse (Refraktion, Fehler in den Satellitenbahnen etc.) ausgeschaltet werden. Auf diese Weise ist eine Relativgenauigkeit von ± 1 bis ± 10 mm pro km zu erreichen (abhängig davon, wie lange die Messdauer beträgt).
Störsender
Für das GPS-System existieren sog. GPS-Jammer (Jammer = engl. für Störsender).
;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 m 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
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 BetriebWeblinks