GPS Ortung - weltraumgestütztes Funknavigationssystem

GPS Ortung – Navigationssystem über Satellit

Das Global Positioning System (Abkürzung GPS) ist ein weltraumgestütztes Funknavigationssystem, das für die GPS Ortung verwendet wird. Die Entwicklung erfolgte im Auftrag des Verteidigungsministeriums der Vereinigten Staaten von Amerika (United States of America) im Jahr 1973. Ursprünglich wurde das System für militärische Zwecke konzipiert, um sowohl die Position, als auch die Geschwindigkeit von ruhenden und beweglichen Objekten weltweit genau bestimmen zu können. Zudem sollte eine genaue Zeitbestimmung zur Verfügung stehen und die Informationen mussten in Echtzeit abrufbar sein. Daraus entstand das System mit der Bezeichnung Navigational System with Time and Ranging (NAVSTAR). Erstmals wurde es 1978 von der US-Air Force mit vier Satelliten getestet und zwei Jahre später unter dem Namen GPS in Betrieb genommen, das auch teilweise von der zivilen Bevölkerung genutzt werden konnte.

Allerdings gab es zwei unterschiedliche GPS-Varianten:

1. zum einen der Precice Positioning Service (PPS), der hauptsächlich dem Militär zur Verfügung stand und zum anderen
2. der Standard Positioning Service (SPS), der der zivilen Nutzung diente und aufgrund der Selective Availability (SA) um einiges ungenauer war, als das militärische System.

Erst am 17. Juli 1995 wurde GPS offiziell in Betrieb genommen und am 1. Mai 2000 entfernte man die künstlich erzeugte Ungenauigkeit, was zur stärkeren Verbreitung des Systems im privaten Bereich führte.

GPS Aufbau

Das System besteht aus 24 Satelliten, wobei 21 benötigt werden und drei aktiver Ersatz sind, die alle die Erde in einer Höhe von 20.200 Kilometern umkreisen. Dabei bewegen sie sich auf genau festgelegten Bahnen, damit je nach Standort und Empfang sechs bis zehn Satelliten-Signale empfangbar sind. Die Satelliten sind so ausgerichtet, dass man unabhängig von der Position mindestens vier empfangen kann.
Heute gibt es insgesamt 32 Satelliten, wovon sich einige in Reserve und andere in Reparatur befinden. Zur Steuerung und Überwachung der Satelliten existieren fünf stationäre Bodenstationen, die in Äquatornähe um die Welt verteilt sind und den Trabanden die Informationen über ihre Position mitteilen. Außerdem sind sie für die Synchronisation zwischen den Atomuhren der Satelliten und Bodenstation verantwortlich, wodurch exakte Messungen der Signallaufzeit ermöglicht werden.

GPS Ortung / Frequenzen

Das Prinzip der GPS Ortung beruht auf der Messung der Entfernungen zwischen zwei Punkten. Jeder GPS-Satellit überträgt zwei Trägerfrequenzen von 1575,42 MHz und 1227,60 MHz im Mikrowellenbereich, die L1 beziehungsweise L2 genannt werden (L = Layer), wobei die L2-Frequenz für militärische Empfänger vorgesehen ist. Auf die Trägerfrequenzen wird das Signal mit dem C/A-Code mit der Modulationsfrequenz von 1023 MHz aufgetragen, was zur Spreizung des Frequenzbandes führt und somit die Störanfälligkeit verringert. Das Signal enthält Informationen über den Namen des Satelliten, dessen Positionsangabe und den Signal-Sendezeitpunkt. Der Empfänger kann nun aus der Laufzeit zwischen Sendezeitpunkt und Empfangszeitpunkt die Entfernung bestimmen, da sich das Signal mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.

GPS: So funktioniert die Standortbestimmung

Der Sender im Satellit strahlt das Signal in alle Richtungen, dadurch entsteht eine „Signal-Kugel“. Wird das Signal vom Gerät zu einem Zeitpunkt empfangen, dann befindet es sich in diesem Moment auf einer Kugel mit einem Radius von x Kilometern um den Satelliten und erhält somit die Information über die Position des Satelliten. Für die genaue Standortbestimmung auf der Erdoberfläche werden allerdings drei Satelliten benötigt. Durch die Laufzeitmessungen der Satelliten erhält man drei Radiuskurven, die sich in einem Punkt auf der Erdoberfläche schneiden. Der Empfänger muss aber davon ausgehen, dass er sich auf Meereshöhe befindet. Erst durch die Zuhilfenahme eines vierten Satelliten lässt sich eine dreidimensionale Positionsbestimmung vornehmen. Außerdem reduziert ein vierter Satellit Ungenauigkeiten, die durch die Unterschiede zwischen den Empfänger- bzw. Satellitenuhren erzeugt werden, weil der zusätzliche Bezugspunkt den Zeitfehler prinzipiell ausgleicht.

Weitere Systeme zur Positionsbestimmung und Navigation

GPS war das erste weltweite Satellitennavigationssystem (englisch global navigation satellite system) oder die geläufige Abkürzung GNSS aus Amerika. Inzwischen gibt es mit

• GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System) der Russischen Föderation,
• Galileo der Europäischen Union und
• Beidou (China)

weitere entsprechende Satellitensysteme, die hier als GPS Alternativen vorgestellt werden.