GPS ist eine Weiterleitung auf diesen Artikel. Weitere Bedeutungen sind unterGPS (Begriffsklärung) aufgeführt.
Bewegung der GPS-Satelliten um die Erde. Schwarze Punkte stellen Satelliten mit Sichtkontakt zum blauen Bezugspunkt auf der Erdoberfläche dar.
DasGlobal Positioning System (GPS; deutschGlobales Positionsbestimmungssystem), offiziellNAVSTAR GPS, ist einglobales Navigationssatellitensystem zurPositionsbestimmung. Es wurde seit den 1970er-Jahren vomUS-Verteidigungsministerium entwickelt und löste ab etwa 1985 das alte SatellitennavigationssystemNNSS (Transit) derUS-Marine ab, ebenso dieVela-Satelliten zur Ortung vonKernwaffenexplosionen. GPS ist seit Mitte der 1990er-Jahre voll funktionsfähig[1] und ermöglicht seit der Abschaltung der künstlichen Signalverschlechterung (Selective Availability) am 2. Mai 2000 auch zivilen Nutzern eine Genauigkeit von oft besser als 10 Metern. Die Genauigkeit lässt sich durch Differenzmethoden (Differential-GPS/DGPS) in der Umgebung eines Referenzempfängers auf Werte im Zentimeterbereich oder besser steigern. Mit den satellitengestützten Verbesserungssystemen (SBAS), die Korrekturdaten über geostationäre, in den Polargebieten nicht zu empfangende Satelliten verbreiten und ebenfalls zur Klasse der DGPS-Systeme gehören, werden kontinentweit Genauigkeiten von einem Meter erreicht. GPS hat sich als das weltweit wichtigsteOrtungsverfahren etabliert und wird inNavigationssystemen weitverbreitet genutzt.
Die offizielle Bezeichnung ist „NavigationalSatelliteTimingandRanging –GlobalPositioningSystem“ (NAVSTAR GPS). NAVSTAR wird manchmal auch als Abkürzung für „NavigationSystem usingTimingandRanging“ (ohneGPS) genutzt. Das System wurde am 17. Juli1995 offiziell in Betrieb genommen.
Die AbkürzungGPS wird heute umgangssprachlich, zum Teil sogar fachsprachlich, als generische Bezeichnung oderpars pro toto für sämtliche Satellitennavigationssysteme benutzt, die korrekt unter dem KürzelGNSS (GlobalNavigation(al)SatelliteSystem) zusammengefasst werden.
GPS war ursprünglich zurPositionsbestimmung undNavigation im militärischen Bereich (inWaffensystemen,Kriegsschiffen,Flugzeugen usw.) vorgesehen. Im Gegensatz zu Mobilfunkgeräten können GPS-GeräteSignale nur empfangen aber nicht aktiv senden. So kann navigiert werden, ohne dass Dritte Informationen über den eigenen Standort erhalten. Heute wird das GPS durchweg auch im zivilen Bereich genutzt: Zurräumlichen Orientierung inSeefahrt,Luftfahrt und imStraßenverkehr ebenso wie beim Aufenthalt in der Natur; zur Positionsbestimmung und -verfolgung im Rettungs- und Feuerwehrdienst, imÖPNV sowie im Logistikbereich.
GPS basiert aufSatelliten, die mit codierten Radiosignalen ständig ihre aktuelle Position und die genaue Uhrzeit ausstrahlen. Aus denSignallaufzeiten könnenspezielle Empfänger ihre eigene Position und Geschwindigkeit berechnen. Theoretisch reichen die Signale von drei Satelliten aus, welche sich oberhalb ihresAbschaltwinkels befinden müssen, um daraus die genaue Position und Höhe zu bestimmen. In der Praxis haben GPS-Empfänger keine ausreichend genaue Uhr, um die Laufzeiten gegenüber derGPS-Zeit korrekt zu messen. Deshalb wird das Signal eines vierten Satelliten benötigt, mit dem die Referenzzeit im Empfänger bestimmt werden kann. Zur Anzahl der benötigten Satelliten siehe auch:GPS-Technik
Mit den GPS-Signalen lässt sich nicht nur die Position, sondern auch dieGeschwindigkeit und Bewegungsrichtung des Empfängers bestimmen, die dann auf einer digitalen Landkarte oder alsKompass angezeigt werden kann. Da dies allgemein über Messung desDopplereffektes oder dieDifferenzierung des Ortes nach der Zeit (Maß und Richtung der festgestellten örtlichen Veränderung) erfolgt, ist die Kompassmessung nur möglich, wenn der Empfänger sich bewegt hat.[2]
Die Satellitenkonstellation wurde so festgelegt, dass es einem GPS-Empfänger in der Regel möglich ist, Kontakt mit mindestens vier Satelliten zu haben. Sechs Bahnebenen sind 55° gegen den Äquator geneigt und decken fast die ganze Welt ab.
Entsprechend der GPS-Basiskonfiguration sollten in jeder der sechs Bahnebenen mindestens vier Satelliten die Erde in 20.200 km Höhe an jedemSterntag zweimal umkreisen. Ein Satellit der Ausführung IIR etwa ist für eine Einsatzdauer von 7,5 Jahren konstruiert. Um Ausfälle aufgrund von technischen Defekten zu vermeiden werden zusätzliche Satelliten bereitgehalten. Teilweise sind diese inextended Slots der Konstellation platziert und nehmen dort eine aktive Rolle ein. Weitere inaktive Ersatzsatelliten warten in einer Umlaufbahn auf ihren Einsatz. Eine entstandene Lücke in der Konstellation führt zu keiner Einschränkung der Signalverfügbarkeit, wenn ein unmittelbar benachbarterextended Slot besetzt ist. Um eine Lücke aufzufüllen, kann ein neuer Satellit gestartet werden, ein schlafender Satellit, der bereits im Umlauf ist, aktiviert werden oder ein aktiver Satellit zu einer anderen Position manövriert werden. Alle diese Maßnahmen sind zeitaufwendig. Es dauert Monate, um einen Satelliten an die für den Einsatz erforderliche Position zu bringen. Innerhalb einer Bahnebene kann eine Repositionierung durch eine Folge von Brems- und Beschleunigungsmanövern erfolgen, solange der Treibstoffvorrat hierzu ausreicht, der im Regelfall nur zur Einhaltung der exakten Position verwendet wird. Aufgrund des schwachen Triebwerks kann ein Satellit sich nicht selber in eine höhere Umlaufebene befördern.
Das Datensignal mit einer Datenrate von 50 bit/s und einer Rahmenperiode von 30 s wird parallel mittelsSpread-Spectrum-Verfahren auf zweiFrequenzen ausgesendet:
Auf derL1-Frequenz (1575,42 MHz) werden der C/A-Code („Coarse/Acquisition“) für die zivile Nutzung, und trennbar-überlagert dazu der nicht öffentlich bekannte P/Y-Code („Precision/encrypted“) für die militärische Nutzung eingesetzt. Das übertragene Datensignal ist bei beiden Codefolgen identisch und stellt die 1500Bit lange Navigationsnachricht dar. Diese Navigationsnachricht besteht aus den Komponenten GPS-Zeiten und Satellitenstatus,Ephemerisdaten undAlmanach. GPS-Empfänger nutzen die GPS-Zeiten, den Satellitenstatus und Ephemerisdaten, um ihren Standort zu berechnen, und speichern die Almanachdaten zwischen, um 25-seitige Almanachdaten zu erstellen. Die Almanachdaten stellen den groben Almanach jedes einzelnen Satelliten, die Schaltsekunden seit 1980, die ionosphärische Laufzeitkorrektur der Altimetrie usf. zur Verfügung und dienen zum Beschleunigen der Erstpositionsbestimmung und zum Verbessern der Standortbestimmung. Die Übertragung der Navigationsnachricht benötigt 30 Sekunden.
Die zweite FrequenzL2-Frequenz (1227,60 MHz) überträgt nur den P/Y-Code. Wahlweise kann auf der zweiten Frequenz der C/A-Code übertragen werden. Durch die Übertragung auf zwei Frequenzen könnenionosphärische Effekte, die zur Erhöhung der Laufzeit führen, herausgerechnet werden, was die Genauigkeit steigert. Im Rahmen der GPS-Modernisierung wird seit 2005 (Satelliten des Typs IIR-M und IIF) zusätzlich ein neuer ziviler C-Code (L2C) mit optimierter Datenstruktur übertragen.
Momentan ist die dritteL5-Frequenz (1176,45 MHz) im Aufbau. Sie soll die Robustheit des Empfangs weiter verbessern und ist vor allem für die Luftfahrt und Rettungsdienst-Anwendungen vorgesehen. Seit 2010 werden die L5-fähigen IIF-Satelliten eingesetzt, seit dem 28. April 2014 enthalten die L5-Signale nutzbare Navigationsdaten und seit dem 31. Dezember 2014 werden diese täglich aktualisiert. L5 verwendet die gleiche modernisierte Datenstruktur wie das L2C-Signal.[3][4]
Jeder Satellit hat einen Empfänger für eine Datenverbindung imS-Band (1783,74 MHz zum Empfangen, 2227,5 MHz zum Senden).
Der für die Modulation des Datensignals im zivilen Bereich eingesetzte C/A-Code ist einepseudozufälligeCodefolge mit einer Länge von 1023 Bits. Die Sendebits einer Codefolge werden bei „Spread Spectrum“-Modulationen als sogenannte „Chips“ bezeichnet und tragen keine Nutzdateninformation, sondern dienen nur zur Demodulation mittelsKorrelation mit der Codefolge selbst. Diese 1023 Chips lange Folge hat eine Periodenlänge von 1 ms, und dieChips-Rate beträgt 1,023 Mcps. Die beiden Codegeneratoren für dieGold-Folge bestehen aus jeweils 10 Bit langen Schieberegistern und sind vergleichbar mitlinear rückgekoppelten Schieberegistern, wenngleich sie für sich einzeln nicht die maximale Folge ergeben. Die beim C/A-Code eingesetzten GeneratorpolynomeG1 undG2 lauten:
Die endgültige Gold-Folge (C/A-Codefolge) wird durch eine Codephasenverschiebung zwischen den beiden Generatoren erreicht. Die Phasenverschiebung wird bei jedem GPS-Satelliten unterschiedlich gewählt, so dass die dabei entstehenden Sendefolgen (Chips-Signalfolgen)orthogonal zueinander stehen – damit ist ein unabhängiger Empfang der einzelnen Satellitensignale möglich, obwohl alle GPS-Satelliten auf den gleichen Nominalfrequenzen L1 und L2 senden (sogenanntesCodemultiplex, CDMA-Verfahren).
Im Gegensatz zu denpseudozufälligen Rauschfolgen aus linear rückgekoppelten Schieberegistern (LFSR) haben die zwar ebenfalls pseudozufälligen Rauschfolgen ausGold-Codegeneratoren wesentlich bessere Eigenschaften der Kreuzkorrelation, wenn die zugrundeliegenden Generatorpolynome entsprechend ausgewählt werden. Dies bedeutet, dass die durch die Codephasenverschiebung eingestellten, unterschiedlichen Gold-Folgen mit gleichen Generatorpolynomen zueinander fastorthogonal im Coderaum stehen und sich damit kaum gegenseitig beeinflussen. Die beim C/A-Code eingesetzten LFSR-Generatorpolynome G1 und G2 erlauben maximal 1023 Codephasenverschiebungen, wovon ungefähr 25 % zueinander eine in der GPS-Anwendung hinreichend kleine Kreuzkorrelation für den CDMA-Empfang aufweisen. Damit können neben den maximal 32 GPS-Satelliten und deren Navigationssignalen weitere rund 200 Satelliten zusätzlich Daten auf der gleichen Sendefrequenz zu den GPS-Empfängern übertragen – dieser Umstand wird beispielsweise im Rahmen vonEGNOS zur Übermittlung von atmosphärischen Korrekturdaten, Wetterdaten und Daten für die zivile Luftfahrt ausgenutzt.
Da die Datenrate der damit übertragenen Nutzdaten 50 bit/s beträgt und ein Nutzdatenbit genau 20 ms lang ist, wird ein einzelnes Nutzdatenbit immer durch exakt 20-malige Wiederholung einer Gold-Folge übertragen.
Der zuschaltbare künstliche FehlerSelective Availability, der seit dem Jahr 2000 nicht mehr eingesetzt wird, wurde bei dem C/A-Code dadurch erreicht, dass die zeitliche Ausrichtung (Taktsignal) der Chips einer geringen zeitlichen Schwankung (Jitter) unterworfen wurde. Die regionale Störung von GPS-Signalen wird durch das US-Militär durchGPS-Jammer erreicht und macht damit GPS nicht in jedem Fall zu einem verlässlichen Orientierungsmittel, da nicht verlässlich feststellbar ist, ob und wie weit GPS-Signale von den tatsächlichen UTM/MGRS-Koordinaten abweichen.
Eine US-Luftwaffensoldatin geht in einem Satellitenkontrollraum derSchriever Air Force Base in Colorado (USA) eine Checkliste zur Steuerung von GPS-Satelliten durch.
Der längere und meist militärisch verwendete P-Code verwendet als Codegenerator sogenannteJPL-Folgen. Er unterteilt sich in den öffentlich dokumentierten P-Code[5] und den zurVerschlüsselung auf der Funkschnittstelle eingesetzten und geheimen Y-Code, welcher bedarfsmäßig zu- bzw. abgeschaltet werden kann. Die Kombination daraus wird als P/Y-Code bezeichnet. Die Verschlüsselung mit dem Y-Code soll einen möglichst manipulationssicheren Betrieb (engl.Anti-Spoofing oderAS-Mode) ermöglichen. Seit 31. Januar 1994 ist der AS-Modus permanent aktiviert, und es wird nicht mehr der öffentlich bekannte P-Code direkt übertragen.
Der P-Code wird aus vier linearen Schieberegistern (LFSR) der Länge 10 gebildet. Zwei davon bilden den sogenannten X1-Code, die anderen beiden den X2-Code. Der X1-Code wird mit dem X2-Code so überXOR-Verknüpfungen kombiniert, dass insgesamt 37 verschiedenePhasenverschiebungen 27 verschiedeneWochensegmente des P-Codes ergeben. Die Längen sind bei diesem Code wesentlich höher als beim C/A-Code. So liefert der X1-Codegenerator eine Länge von 15.345.000Chips und X2 eine Codefolge, die exakt um 37 Chips länger ist. Die Dauer, bis sich der P-Code wiederholt, ergibt sich daraus zu 266 Tagen (38 Wochen). Der P/Y-Code wird mit einer Chiprate von 10,23 Mcps gesendet, das entspricht der zehnfachen Chiprate des C/A-Codes. Er benötigt daher ein breiteresFrequenzspektrum als der C/A-Code.
Zur Unterscheidung der einzelnen GPS-Satelliten im P/Y-Code wird die sehr lange Codefolge von rund 38 Wochen Dauer in einzelne Wochensegmente aufgeteilt. Jeder GPS-Satellit hat einen genau eineWoche lang dauernden Codeabschnitt zugewiesen, und am Anfang jeder Woche (Sonntag 00:00 Uhr) werden alle P-Codegeneratoren wieder auf den Startwert zurückgesetzt. Damit wiederholt sich pro GPS-Satellit der P/Y-Code einmal pro Woche. Die Bodenstationen benötigen fünf Wochensegmente des in Summe 38 Wochen langen P-Codes für Steueraufgaben, 32 Wochensegmente sind für die Unterscheidung der einzelnen GPS-Satelliten vorgesehen.
Der C/A-Code dient dabei zur Umschaltung – sogenanntesHand Over – auf den P/Y-Code. Da die P-Codefolge pro GPS-Satellit eine Woche umfasst, wäre das direkte Synchronisieren einfacher Empfänger auf die P-Codefolge ohne Kenntnis der genauen GPS-Uhrzeit praktisch unmöglich. Einfache GPS-Empfänger, die den P/Y-Code verwenden, synchronisieren sich zuerst auf den C/A-Code, gewinnen aus den übertragenen Daten die notwendigen Umschaltinformationen wie Uhrzeit, Wochentag und andere Informationen, stellen damit ihre P-Codegeneratoren entsprechend ein und schalten dann auf den Empfang des P/Y-Code um.
Moderne militärische GPS-Empfänger werden heute mit einer sehr viel größeren Anzahl vonKorrelatoren ausgestattet, ähnlich wie der im zivilen Bereich eingesetzteSiRFstar-III-Chipsatz, wodurch es möglich ist, den P/Y-Code direkt auszuwerten. Diese Empfänger werden bei den Herstellern als „direct-Y-code“-Empfänger bezeichnet. Diese Empfängergeneration macht es möglich, den C/A-Code zu stören, um die Nutzung von zivilen GPS-Empfängern durch gegnerische Kräfte beispielsweise zum Vermessen vonFeuerstellungen zu verhindern. Da die Bandbreite des militärischen Signals ca. 20 MHz ist, können die 1–2 MHz Bandbreite des C/A-Codes, die zivil genutzt werden, gestört werden, ohne dass militärische Empfänger wesentlich beeinträchtigt werden. Das und die Annahme, dass heutige Konflikte regional begrenzt sind, führten zur Entscheidung, die künstliche Verschlechterung dauerhaft abzuschalten.
Die genauen Parameter für die Y-Verschlüsselung des P-Codes sind nicht öffentlich bekannt. Die Parameter der Navigationsdaten (Nutzdaten, Rahmenaufbau, Bitrate), die mittels P/Y-Code übertragen werden, sind allerdings exakt identisch mit den Daten, die mittels der öffentlich bekannten C/A-Codefolge übertragen werden. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass der Takt der P/Y-Codefolge im Satelliten grundsätzlich keinem künstlichen Taktfehler unterworfen wird und der P-Code die 10-fache Taktrate zum C/A-Code aufweist. Damit können P/Y-Empfänger die für diePositionsbestimmung wesentliche Information der Übertragungszeiten genauer gewinnen.
Es bestehen strikte Kontrollen bei der Weitergabe von P-Code-Daten an Länder außerhalb der NATO. Derartige Anwender wie z. B. dieSchweizer Luftwaffe erhalten den wöchentlich von der NSA gewechselten aktuellen P-Code und spielen diesen auf die Navigationshardware in ihren Kampfflugzeugen ein. Ohne dieses Update sinkt die Zielgenauigkeit der Bordwaffen drastisch.[6]
In den verwendeten Frequenzbereichen breitet sich die elektromagnetische Strahlung ähnlich wie sichtbares Licht fast geradlinig aus, wird dabei aber durch Bewölkung oder Niederschlag kaum beeinflusst. Dennoch ist wegen der geringen Sendeleistung der GPS-Satelliten für den bestenEmpfang der Signale eine direkte Sichtverbindung zum Satelliten erforderlich. InGebäuden war ein GPS-Empfang bis vor kurzem nicht möglich. Neue Empfängertechnik ermöglicht unter günstigen Bedingungen Anwendungen in Gebäuden. Zwischen hohen Gebäuden kann es durch mehrfach reflektierte Signale (Mehrwege-Effekt) zu Ungenauigkeiten kommen. Zudem ergeben sich z. T. große Ungenauigkeiten bei ungünstigen Satellitenkonstellationen, zum Beispiel wenn nur drei nahe beieinander stehende Satelliten aus einer Richtung zur Positionsberechnung zur Verfügung stehen. Für eine exakte Positionsermittlung sollten möglichst vier Satellitensignale aus unterschiedlichen Himmelsrichtungen empfangbar sein.
Jeder GPS-Satellit ist mit einer oder mehreren Atomuhren bestückt. Die damit ermittelte Uhrzeit ist zusammen mit der genauen Position des Satelliten Voraussetzung für die Positionsbestimmung des GPS-Empfängers. Gleichzeitig wird damit ein weltweiteinheitliches Zeitsystem zur Verfügung gestellt. Die von einem GPS-Empfänger empfangene Zeit ist zunächst dieGPS-Zeit, eine Atomzeitskala ohneSchaltsekunde. Die GPS-Zeit ist daher derKoordinierten Weltzeit (UTC) seit 1980 um 18 Sekunden voraus (Stand April 2025). Die Satellitennachricht enthält die aktuelle Differenz zwischen GPS-Zeit und UTC. Damit kann im Empfänger die genaue UTC berechnet werden. Wenn die Laufzeit des Satellitensignals genau bestimmt wird, garantiert das GPS-System eine Abweichung von UTC von maximal einer Mikrosekunde.
Die GPS-Satelliten sind Teil des US-ProgrammsNuclear Detection System (NDS), früherIntegrated Operational Nuclear Detection System (IONDS) genannt, eingebunden in das VerteidigungsprogrammDSP (Defense Support Program). Sie haben optische und Röntgen-Sensoren und ebenso Detektoren fürEMP. Damit sollen sie Atombombenexplosionen und Starts von Interkontinentalraketen mit einer Ortsauflösung von 100 m registrieren.[7] Das GPS hat dabei dasVela-System abgelöst.
Neben bodengestütztenFunknavigationssystemen wie dem während des Zweiten Weltkriegs entwickeltenDecca Navigation System, welches später vor allem der Seeschifffahrtsnavigation diente und prinzipbedingt nur lokal verfügbar war, wurde ab 1958 von derUS-Marine das ersteSatellitennavigationssystemTransit entwickelt. Zunächst unter der BezeichnungNavy Navigation Satellite System (NNSS) wurde es ab 1964 militärisch zur ZielführungballistischerRaketen aufU-Booten undFlugzeugträgern der US-Marine und ab 1967 auch zivil genutzt. Seine Sendefrequenzen lagen bei 150 und 400 MHz, und es erreichte eine Genauigkeit zwischen 500 und 15 m. Es ist seit dem 31. Dezember 1996 außer Betrieb.
Start des GPS-Satelliten NAVSTAR 58 am 25. September 2006 an Bord einerDelta-II-7925-9.5-Rakete
Das GPS-Programm wurde mit der Gründung des JPO (Joint Program Office) im Jahre 1973 gestartet.[8]Bradford W. Parkinson gilt als Miterfinder des militärisch genutzten Global Positioning System. Gemeinsam mit den US-AmerikanernRoger L. Easton undIvan A. Getting, die für die zivile Nutzung von GPS vorrangig als Erfinder zu nennen sind, entwickelte er GPS. Die Arbeit der MathematikerinGladys West in der AbteilungBallistic Sciences amDahlgren Naval Proving Ground zur Erstellung des mathematischengeodätischen Erdmodells wird als entscheidend für die Entwicklung von Computertechniken zur Erkennung von Satellitenpositionen mit der für GPS benötigten Präzision zugeschrieben.[9][10]
Am 16. September 1983 wurde von einem Pressesprecher eine Stellungnahme des Weißen Hauses zum Abschuss vonKorean-Air-Lines-Flug 007 verlesen. Darin wird angekündigt, dass das GPS-System mit der geplanten Fertigstellung 1988 für zivile Luftfahrt verfügbar sein soll.[12] Diese Mitteilung wird verschiedentlich als Freigabe des militärischen Projekts für die Allgemeinheit verstanden. Das GPS-System wurde aber von Anfang an für militärische und zivile Navigation entwickelt.[13]
1985 startete der letzte Satellit der ersten Generation mit einer Atlas-E-Rakete von der Vandenberg-Startrampe SLC-3W.[14] Mit Einführung der GPS-II-Serie (1989) wechselte man nachCape Canaveral und startete von der StartrampeLC-17 mitDelta-6925-Raketen. Die Serien GPS IIA bis GPS IIR-M folgten mitDelta-7925-Raketen. Die Inklination wurde bei Starts von Cape Canaveral unter Beibehaltung der Bahnhöhe auf 55° verringert.[15] 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. Die GPS-IIF-Serie, deren erster Satellit GPS IIF-1 2010 startete, besitzt keinen Feststoff-Apogäumsmotor mehr, sondern wird von ihrenDelta-IV- oderAtlas-V-Trägerraketen direkt im GPS-Orbit ausgesetzt statt auf einer Transferbahn, wie es bis zu GPS-IIR-M-Serie üblich war.[16]
Um nicht-autorisierte Benutzer – potenzielle militärische Gegner – von einer genauen Positionsbestimmung auszuschließen, wurde die Genauigkeit für Benutzer, die keinen Schlüssel haben, 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 als ursprünglich erwartet war. Es gab fast immer vereinzelte Satelliten, bei welchen SA nicht aktiviert war, sodass genaue Zeitübertragungen möglich waren. Am 2. Mai 2000 wurde diese künstliche Ungenauigkeit der Satelliten abgeschaltet, ab ca. 4:05 Uhr UTC sendeten alle Satelliten ein SA-freies Signal.[17] Seitdem kann das System auch außerhalb des bisherigen exklusiven Anwendungsbereichs zur präzisen Positionsbestimmung genutzt werden. 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 eineDelta-II-Rakete den ersten GPS-Satelliten der BaureiheGPS 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 2005 im Einsatz, erweiterte der neue Satellit die Flotte der funktionstüchtigen Satelliten auf 28. Im Juni 2008 waren 32 Satelliten aktiv. Am 17. August 2009 startete mit GPS 2R-M8 der letzte GPS-Satellit dieser Serie mit einer Delta-II-Rakete erfolgreich in seine Transferbahn.
Am 28. Mai 2010 setzte eineDelta IV Medium+ (4,2) den ersten GPS-IIF-Satelliten im GPS-Orbit ab. Diese Serie ist weiter verbessert (u. a. genauereAtomuhren).[18]
DasPentagon autorisierte dieUnited States Air Force am 9. Mai 2008, die ersten acht Satelliten der dritten Baureihe zu bestellen. Für Entwicklung und Bau wurden 2 Mrd. US-Dollar bereitgestellt. Die dritte Generation wird aus insgesamt 32 Satelliten bestehen und soll ab 2014 das GPS-II-System ersetzen. Sie unterscheiden sich durch eine erhöhte Signalstärke und weitere Maßnahmen, um eineStörung der Signale zu erschweren.Lockheed Martin undBoeing konkurrierten um den Auftrag, mit dem automatisch die Lieferung der nachfolgenden 24 Satelliten verbunden sein sollte.[19] Am 15. Mai 2008 gewann Lockheed Martin den Auftrag zum Bau der ersten zwei GPS-III-Satelliten.[20] Der Auftrag wurde auf die Lieferung von insgesamt zehn Satelliten aufgestockt. Der erste GPS-III-Satellit wurde am 23. Dezember 2018 mit einer SpaceX Falcon 9 Rakete in den Orbit gebracht.[21] Bis Ende November 2025 wurden acht GPS-III-Satelliten in den Orbit gebracht, der bislang letzte Start erfolgte am 30. Mai 2025.[22]
Im September 2018 erhielt Lockheed Martin von der US Air Force den Auftrag zur Fertigung von 22 Satelliten des weiterentwickelten Typs GPS-IIIF.[23]
Die US Navy arbeitete seit den frühen 1970er Jahren unter dem CodenamenParcae (Englisch für „Parzen“) an einem satellitenbasierten System zum Aufspüren und Positionieren sowjetischer Marineschiffe[24][25]. 1976 wurde der erste Satellit des Parcae-Programms gestartet[24]. Die Technik zur Positionierung der sowjetischen Schiffe weist, obwohl sie von einem anderen Teil der US-Streitkräfte entwickelt wurde, deutliche Parallelen zu GPS auf:
Beide Systeme nutzen präzise Zeitunterschiede zwischen mehreren Satelliten, um den Standort zu bestimmen.
Beide erforderten äußerst genaue synchronisierte Uhren.
Beide benötigten Satellitenkonstellationen, die zusammenarbeiteten.
Beide mussten komplexe Signalverarbeitungs- und Datenübertragungsherausforderungen lösen.
Die GPS-Satelliten sind auf mehrere Arten nummeriert:
fortlaufende Navstar-Nummer des Satelliten: Unter dieser Bezeichnung wird der Satellit in internationalen Registern geführt.
Die Position auf den sechs Hauptorbiten A bis F.
USA-Nummer: damit werden seit 1984 US-Militärsatelliten nummeriert.
fortlaufende SVN-Nummer(space vehicle number) für GPS-Satelliten.
PRN-Nummer, welche die Signalkodierung (nicht den Satelliten) bezeichnet und auf dem GPS-Empfänger angezeigt wird. Wenn ein Satellit ausfällt, kann ein anderer sein Signal mit dem PRN-Code aussenden.
Die von GPS ursprünglich geplante Konstellation, jetzt als 24-Slot-Basiskonfiguration bezeichnet, umfasst sechs gleichmäßig verteilte Umlaufebenen, jeweils 55° gegen den Äquator geneigt. Diese Umlaufebenen sind mit den Buchstabe A – F gekennzeichnet. In jeder dieser Ebenen sind in der Basiskonfiguration vier Satelliten im Umlauf, die allerdings nicht gleichmäßig verteilt sind. Die einzelnen Positionen in einer Umlaufebene sind festgelegt und mit 1 – 4 durchnummeriert.Die aktuelle Konfiguration umfasst bis zu sechs zusätzliche Satelliten.
Blau Satelliten der Basiskonstellation, rot Satellitenpaar im Slot B1 erweitert zu B1F und B1A
Die Information darüber sind im Performance-Standard Dokument zu finden[26]. Der Text in Abschnitt 3.0 legt fest, dass die zusätzlichen Satelliten in den Ebenen B, D und F lokalisiert sind. Die tatsächliche Konstellation scheint sich nicht an diese Beschränkung zu halten. Die ungleichmäßig verteilte Belegung einer Ebene mit Satelliten wird am Beispiel der Ebene B gezeigt. In rot ist hier der zu B1F=B5, B1A=B6 erweiterte Slot B1 gezeigt. Die Belegung in den anderen Ebenen ist jeweils ähnlich, aber winkelversetzt, um eine optimale Grundabdeckung für die GPS-Klienten am Boden sicherzustellen.
Die Konstellation umfasst Satelliten der Generation IIR, IIF und III. Einige funktionsbereite Satelliten sind nicht Bestandteil der Konstellation, können aber eingegliedert werden, sollte ein anderer Satellit durch technischen Defekt frühzeitig ausscheiden, so zeitweise geschehen mit Navstar 35. Alle Satelliten der Generation benötigen eine jährliche Auszeit von bis zu einem Tag, um die Position zu korrigieren oder Wartungsarbeiten durchzuführen.[27][28][29]
Standard Positioning Service (SPS) ist für jedermann verfügbar und erreichte eineGenauigkeit (engl.accuracy) von ca. 15 m horizontal (in 95 % der Messungen). Nach stetigen Verbesserungen vor allem durch den sukzessiven Ersatz älterer Satelliten durch Nachfolgemodelle wird aktuell eine Genauigkeit von 7,0 m garantiert (in 95 % der Messungen) bzw. 3,6 m RMS (root mean square,Standardabweichung).[37] Diese Genauigkeit gilt jedoch nur für das abgestrahlte Signal im Raum und beschreibt keinen 2D- oder 3D-Fehler. Dazu kommen noch die Empfänger- und Umgebungsfehler wie Empfängerrauschen, Troposphärenfehler, Softwarefehler, Mehrwegesignale usw. Im Mai 2000 wurde eine künstliche Ungenauigkeit vom US-Militär abgeschaltet; davor betrug die Genauigkeit 100 m. Mit der vierten Ausbaustufe soll in Krisen- bzw. Kriegsgebieten eine künstliche Verschlechterung (Selective Availability) durch lokale Störung des Empfangs verwirklicht werden.
Precise Positioning Service (PPS) ist der militärischen Nutzung vorbehalten und auf eine Genauigkeit für das Signal im Raum von 5,9 m (in 95 % der Messungen) bzw. 3 m RMS ausgelegt.[38] Diese Signale werdenverschlüsselt ausgestrahlt.
Eine Erhöhung der Genauigkeit (0,01–5 m) kann durch Einsatz von DGPS (Differential-GPS) erreicht werden.
Zur Verbesserung der Genauigkeit dienen satellitengestützte Erweiterungssysteme (Satellite-BasedAugmentationSystems,SBAS):EGNOS in Europa,WAAS in den USA,MSAS in Japan undGAGAN in Indien.
GPS nutzt eine eigene kontinuierlicheAtomzeitskala, welche bei der Einführung von GPS im Jahr 1980 mitUTC übereinstimmte, jedoch keineSchaltsekunden berücksichtigt. Seit der Einführung der letzten Schaltsekunde im Dezember 2016 beträgt die Differenz zwischen beiden Zeiten 18 Sekunden (UTC + 18 Sekunden = GPS-Zeit). 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 verwenden 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 nicht nur vom geringeren Rauschen der Trägerphasenmessung her, sondern auch von der Verwendung der zweiten Frequenz zurIonosphärenmessung. Soll der Millimeter-Bereich erreicht werden, so ist dies bisher nur im DGPS-Betrieb möglich, weil die lokalen Effekte derTroposphäre berücksichtigt werden müssen.
In Fahrzeugen können zusätzlichOdometrie-Daten wie Geschwindigkeit und Beschleunigung sowie Richtungsdaten (z. B. Differential-Odometer,Drehratensensor) verwertet werden, um die Position präziser zu bestimmen oder auch noch inFunklöchern wie z. B. Tunneln eine Position ermitteln zu können. Da diese Daten nur von den in der Fahrzeugelektronik implementiertenSensoren gemessen und an das Navigationssystem übermittelt werden können, ist diese höhere Präzision derzeit nur von festeingebauten Navigationssystemen zu erreichen.
Zeitdilatation auf Satelliten relativ zu einer Sekunde auf der Erde (siehe Text)
Die Zeit, die dieAtomuhren auf den GPS-Satelliten anzeigen, unterliegt den Effekten derrelativistischenZeitdilatation.[39] Dabei hängt nach derallgemeinen Relativitätstheorie die Ganggeschwindigkeit einer Uhr vom Ort imGravitationsfeld ab und nach derspeziellen auch von ihrer Geschwindigkeit. Das geringereGravitationspotential 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. 3.000 km heben sich beide Effekte gerade auf, in der GPS-Satellitenbahn überwiegt der gravitative Effekt um mehr als das 6fache. Auf den Satelliten vergeht damit die Zeit schneller als für eine Uhr am Erdboden. Der relative Gangunterschied (Δt/t) zu einer irdischen Uhr liegt zwar bei nur 4,4·10−10, er ist jedoch deutlich größer als die relative Ganggenauigkeit vonCäsium-Atomuhren, die besser als 10−13 sind.
In der Grafik liegt die Bezugshöhe im Erdmittelpunkt, die Erdoberfläche entsprechend bei 6370 km. Die Ordinate ist die Zeitdilatation, bezogen auf eine Erdsekunde. Die obere Kurve gibt Auskunft, um wie viele Sekunden die Zeit in großer Höhe und kleiner Gravitation schneller vergeht. Die Zeitverzögerung durch die Bahnbewegung eines Satelliten folgt aus der unteren Kurve. Die Summe beider Effekte führt zur mittleren Kurve.
Aufgrund der Relativbewegung zwischen Empfänger (Erddrehung) und Satellit (Bahnbewegung) unterliegen die Signale dem relativistischenDopplereffekt. Bei einer Trägerfrequenz von 1,5 GHz variiert das Signal um ±5 kHz. Die Zeit- bzw. Frequenzgenauigkeit der Satellitenatomuhren von besser als 10−12 genügt, um Eigenbewegungen des Empfängers in der Größenordnung von 1 m/s zu erkennen. 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 nur dann auftreten, wenn die Positionsbestimmung über die Ermittlung der Abstände des GPS-Empfängers zu drei 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 nicht mit einer Atomuhr ausgestattet, stattdessen wird die präzise Zeit am Empfangsort auch aus dem C/A-Code der empfangenen Satelliten bestimmt. Aus diesem Grund sind für eine 3D-Positionsbestimmung mindestens vier Satelliten erforderlich (vier Laufzeitsignale zur Bestimmung von vier Parametern, nämlich drei Ortsparametern und der Zeit). Weil alle Satelliten im Mittel den gleichen relativistischen Effekten ausgesetzt sind, entsteht hierdurch ein vernachlässigbarer Fehler bei der Positionsbestimmung, weil sich dieser Fehler nur über den Laufzeitunterschied auswirkt.[40] Berücksichtigt werden müssen jedoch noch die Abweichungen aufgrund zeitabhängiger Abstandsänderungen zum Erdzentrum durch die elliptische Bahnkurve.
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 zum Beispiel derSagnac-Effekt, sind so klein, dass sie bei stationären Empfängern nicht gesondert berücksichtigt werden müssen.
UnterSelective Availability (SA), zu dt. etwa „wählbare Verfügbarkeit“, wird das Hinzufügen vonpseudozufälligem Rauschen zu den Signalen für die Positionsbestimmung verstanden. Vor der Abschaltung dieser genauigkeitsverfälschenden Maßnahme am 2. Mai 2000[41] sollte damit verhindert werden, dass gelenkte Waffensysteme, die außerhalb des US-Militärs zum Einsatz kommen sollten, zur Zielführung mit einem frei erhältlichen GPS-Empfänger ausgestattet werden können. Vor dem Stichtag lag die Genauigkeit der zivilen GPS-Geräte bei etwa 100 Metern oder schlechter, danach bei 10 bis 15 Metern.
Differential-GPS (DGPS, auch dGPS) ist eine Sammelbezeichnung für verschiedene Verfahren, die zusätzlich zum GPS-Signal Korrekturdaten verwenden, um die Genauigkeit zu erhöhen. Die Korrekturdaten stammen i. d. R. von einem weiteren GPS-Empfänger, derReferenzstation, dessen genaue Position bekannt ist. Die zu einem bestimmten Zeitpunkt auftretendenFehler in der Positionsbestimmung nahegelegener Empfänger sind nahezu identisch, sodass sie in derDifferenz herausfallen.
Als Standardformat von GPS-Daten dient dasRINEX-Format, eine Standard- und Formatdefinition, die einen freien Austausch von GPS-Rohdaten ermöglichen soll. Für den Austausch von GPS-Daten in Echtzeitanwendungen ist dasRTCM-Format von Bedeutung.
Neben diesen Basisformaten speichern die GPS-Geräte unterschiedlicher Hersteller die GPS-Ergebnisse (Routen,Track Logs undWegpunkte) häufig in eigenen proprietären Dateiformaten. Als allgemeine Austauschformate bieten sich dasgpx-Format und dasGoogle-Earth-eigene kml-Format (Keyhole Markup Language) an. Eine Konvertierung zwischen verschiedenen Formaten erlaubt die freie SoftwareGPSBabel.
Um das System zu stören, gibt es zum einen die Möglichkeit des Jammings (Jammer =englisch fürStörsender), sieheGPS-Jammer und desGPS-Spoofings. Außerdem könnten die USA als Betreiber von GPS aus politischen Gründen (z. B. während eines Krieges) das GPS-Signal verzerren (z. B. wie früher bei der aktivenSelective Availability) oder für eine unbestimmte Zeit in einigen Gebieten auf der Welt (z. B. Kriegsgebiete) das Signal unterdrücken (d. h. von den GPS-Satelliten nicht in diese Gebiete ausstrahlen).
Der Aufenthaltsort des Trägers eines GPS-Empfängers lässt sich, da Empfänger passiv arbeiten und keine Signale senden, nicht verfolgen. Für eine GPS-Überwachung wird eine Kombination aus einem passiven GPS-Empfänger mit einem aktiven Sender benötigt, z. B. ein Mobilfunkmodul, der die ermittelten Positionsdaten an Dritte weitergibt. Derartige Kombi-Geräte werden oft fälschlicherweise alsGPS-Sender bezeichnet.
GPS wird von der deutschen Polizei für Ermittlungen eingesetzt. Es dient zur Überwachung bestimmter Fahrzeuge und Fahrer. Im April 2005 entschied dasBundesverfassungsgericht, dass der Einsatz des satellitengestützten Systems zur Überwachung in einemstrafrechtlichen Ermittlungsverfahren nicht gegen dasGrundgesetz verstoße. DerZweite Senat wies mit diesem Urteil eine Verfassungsklage eines Ex-Mitglieds derAntiimperialistischen Zellen (AIZ) zurück, das beanstandet hatte, eine zweieinhalb Monate andauernde Überwachung seines Fahrzeugs und dessen verschiedener Benutzer habe in übertriebener Weise in Grundrechte der Überwachten eingegriffen.
DerBundesgerichtshof entschied am 4. Juni 2013, dass die verdeckte Überwachung eines Fahrzeuges mittels eines GPS-Empfängers durch eine Privatdetektei grundsätzlich als strafbewehrter Verstoß gegen dasBDSG zu werten ist. Nur bei Vorliegen eines starken berechtigten Interesses an dieser Datenerhebung, etwa in notwehrähnlichen Situationen, komme von diesem Grundsatz eine Ausnahme in Betracht.[42]
Gebrauch eines GPS-Empfängers bei der Geländearbeit (Hochanden, 1993)
Der Einsatz von GPS-Geräten hat in den letzten Jahren durch die preiswerte Technik erheblich zugenommen. Ein verbreitetes Einsatzgebiet ist das Flottenmanagement von Verkehrsbetrieben und des Transportwesens zu Land und auf Wasser/See. Wenn die Fahrzeuge mit GPS und einemTransponder ausgerüstet sind, hat die Zentrale jederzeit einen Überblick über den Standort der Fahrzeuge.
Handelsübliche zivile GPS-Geräte eignen sich für den Einsatz im Auto und im „Outdoor“-Bereich. Handelsübliche GPS-Empfänger (GPS-Mäuse) verwenden meist dasNMEA-0183-Datenformat zur Ausgabe der Positionsdaten.
Einstellbar sind bei den meisten Geräten verschiedene Ausgabeformate wieUTM,MGRS,geographische Koordinaten in Grad, Minuten, Sekunden und weitere. Zur Übertragung von numerischen Koordinatenauf und zur Ermittlungvontopographischen Karten ist einPlanzeiger im gleichen Maßstab wie die Karte erforderlich.
Die Überlagerung der durch verschiedene GPS-Empfänger ermittelten Wegstrecken auf demBirkenkopf bei Stuttgart zeigt Unterschiede in der Genauigkeit auf (Breite des Ausschnitts ca. 400 m)
2006 wiesen Mitarbeiter der amerikanischen Cornell University nach, dass GPS durchSonneneruptionen gestört werden kann.[44] Die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten solcher Effekte variiert mit derSonnenaktivität, die eine durchschnittliche Periode von ca. 11 Jahren aufweist.[45] In den Jahren 2024 und 2025 nimmt die Gefahr der Beeinträchtigung der GPS-Genauigkeit durch das Erreichen des Maximums der Sonnenaktivität (entsprechend ihrem natürlichen Zyklus) wieder massiv zu.[46]
Ferner kann der GPS-Empfang durch starke Schneefälle, die die Satellitensignale massiv dämpfen, gestört werden. Sonstige Wetterverhältnisse, wie Regen und Nebel, beeinträchtigen den Empfang normalerweise jedoch nicht – allerdings ist der Empfang unter regennassem Laub im Wald deutlich schlechter als bei trockener Witterung.
Da das GPS-System vom US-Militär betrieben wird, wird seine Genauigkeit für die Nutzung durch Dritte während militärischer Auseinandersetzungen der USA unter Umständen regional herabgesetzt. Dies ist einer der Gründe, warum andereRaumfahrtnationen eigene, von den USA unabhängige Navigationssysteme betreiben.
Zudem ist es auch möglich, den GPS-Empfang mit sogenanntenGPS-Jammern (Störsendern) zu stören. Im Januar 2024 traten solche Störungen beispielsweise großflächig im Ostseeraum auf und behinderten dort den Flug- und Schiffsverkehr. Es wurde vermutet, dass ein Zusammenhang zumUkraine-Krieg besteht.[47][48]
Die GPS-Technologie wird in der Wissenschaft für die Vermessung der Erdoberfläche eingesetzt. Für Aufsehen sorgte bspw. im Jahr 2019 eine Studie vonMichael Bevis und Kollegen, in der aufgezeigt werden konnte, dass dergrönländische Eisschild schneller abschmilzt und somit zu einem rascheren Meeresspiegelanstieg beiträgt als vorherige Berechnungen es noch aufgezeigt hatten; die Verfasser führten dies insbesondere auf dieÜberhitzung des Klimasystems der Erde zurück, die die Oberflächenmasse Grönlands nach Südwesten hin abschmelzen lässt – ein Effekt der in bisherigen Berechnungen kaum Berücksichtigung fand.[49] Ein vollständiges Abschmelzen des Grönlandeises würde den Meeresspiegel um ca. sieben Meter ansteigen lassen. Ohne Einsatz der GPS-Technologie war die Geschwindigkeit der Eisschmelze noch deutlich unterschätzt worden.
Im geschäftlichen, sicherheitstechnischen und medizinischen Einsatz
Einsatzmöglichkeiten im geschäftlichen, sicherheitstechnischen und medizinischen Umfeld sind zum Beispiel:
Trace und Tracking zur Ermittlung und Speicherung von Routen und deren Zeit wie für ein elektronisches Fahrtenbuch.
Lokalisation der Standorte von Mitarbeitern, Produkten oder Schutzbefohlenen wie Kinder, Kranke und ältere Menschen.
Geofencing zur Verfolgung von Standorten und Geschehnissen in Echtzeit wie für den Personen- und Fahrzeugschutz bei Werttransporten.
automatische Steuerung, Überwachung und Aufzeichnung von landwirtschaftlichen Geräten bei der Bestellung von großen Flächen, wobei heute vieleMähdrescher und ähnliche Fahrzeuge mit dieser Technik ausgerüstet sind.
Moderne Telekommunikationsnetze, wie z. B.Mobilfunkanlagen benötigen einensynchronenTakt. Diese werden mit Hilfe von GPS synchronisiert.Der eigentliche Zweck von GPS (die Positionsbestimmung) wird dabei nicht verwendet, man bedient sich nur der hoch genauen Zeit die vom GPS geliefert wird.
GPS-Datenlogger (zur Erstellung vonTracks) und kleine Navigationsgeräte werden fürIndividualsport (Jogging, Radfahren, …) z. B. zur persönlichenTrainingsplanung und -überwachung zunehmend eingesetzt.
FürSportwettkämpfe gilt, dass eine GPS-Kontrolle jedes Wettkämpfers (ähnlich dem aufTranspondertechnik basierendenChampionChip-System) grundsätzlich technisch möglich ist, aber die breite Anwendung auf klassische Wettkampfformate (Breitensportveranstaltung) noch auf sich warten lässt. Am 1. Mai 2010 wurde der Dresdner100km-Duathlon als erste Breitensportveranstaltung vollständig und systemidentisch GPS-aufgezeichnet.[50] Bei Sportartexoten wieGeocaching,Kitesurfen,Paragleiten undSegelfliegen hingegen wird eine GPS-Überwachung heutzutage schon durchgeführt.
Eine GPS-gestützte Wettkampfüberwachung bietet Vorteile, wie:
Kontrollfunktion: Streckenkonformität (Kürzen die Sportler die vorgegebene Wettkampfstrecke ab?) Dieser Vorteil ist vor allem für den Veranstalter des Wettkampfes relevant.
Erlebniswert: Nachvollziehbarkeit des Wettkampfgeschehens im Detail, schafft für die Sportler einen Mehrwert an der Sportveranstaltung.
Liveübertragung: Voraussetzung dafür ist die direkte Übertragung der Geodaten und die Darstellung des Wettkampfes. Damit kann z. B. über dasInternet eine breite Öffentlichkeit erreicht werden.
GPS-Geräte ermöglichen die Positionsbestimmung, im Gegensatz zu Kompassen, auch dann, wenn die Sichtbedingungen schlecht sind und das Gelände keine markanten Merkmale aufweist. Jedoch sind sie beimBergsteigen und aufSkitouren problematisch, weil für die Einschätzung und die Bewältigung eines weglosen, technisch schwierigen Geländes gute Sicht oft unabdingbar ist. Auf den Landkarten – ob auf Papier oder auf dem GPS-Gerät gespeichert – sind die Eigenschaften des Geländes nur grob eingetragen. Zum Beispiel verändern sichSpalten,Bergschründe undRandklüfte einesGletschers Jahr für Jahr, und so bieten auch GPS-Tracks von früheren Touren keine zuverlässige Hilfe bei der Routenwahl. Aus diesem Grund darf man bei Nacht, Nebel, starkem Regen oder Schneefall nur dann unterwegs sein, wenn keine Gefahren drohen, oder wenn die Orientierung anderweitig gewährleistet ist, z. B. durch einen durchgehenden, gut sichtbaren Weg.
Größter Profiteur des GPS ist die zivile Luftfahrt. Alle modernen Navigationssysteme sind GPS-gestützt, insbesondere in der Verkehrsluftfahrt sind jedoch weiterhin Systeme in Form vonVOR- oderNDB-Empfängern und dieTrägheitsnavigation üblich, das GPS nimmt hier in der Regel nur eine unterstützende Funktion ein.
Theoretisch, vorbehaltlich der Zulassung, erlauben die Genauigkeiten (P/Y-Signal) sogar automatische Landungen, sofern die Mittellinien der Landebahnen vorher genau vermessen wurden, d. h. die Koordinaten bekannt sind und zusätzlich DGPS eingesetzt wird. Einigeunbemannte Luftfahrzeuge, wieEuroHawk benutzen dieses Verfahren. In der Verkehrsluftfahrt ist es zurzeit (Ende 2008) teilweise zugelassen. Ob ein Anflug nur mit dem GPS als Navigationssystem zugelassen ist, hängt von den Sichtbedingungen, dem genutzten System (GPS, DGPS) und der Ausrüstung von Luftfahrzeug und Landebahn ab. Eine Vorreiterrolle nehmen hier die Vereinigten Staaten ein, jedoch verbreiten sich GPS-gestützte Anflüge auch in Europa immer mehr.
Insbesondere in kleinen Luftfahrzeugen wieSegelflugzeugen oderUltraleichtflugzeugen, die nicht über Funknavigationsempfänger verfügen, werden GPS-Empfänger gern eingesetzt. Da sich der Pilot durch die navigatorische Unterstützung stärker auf die Führung des Flugzeugs konzentrieren kann, erhöht dies auch die Sicherheit. Die alleinige Navigation nach GPS ist jedoch nicht zulässig, damit es bei einem Ausfall des Systems nicht zu gefährlichen Situationen wie Treibstoffmangel durch Verlust der Orientierung oder Einflug in freigabepflichtigeLufträume kommt.
Wie bei der Nutzung in Kraftfahrzeugen gibt es sowohl fest eingebaute Systeme, wie auch nachgerüstete Geräte. Insbesondere die Nutzung von PDAs mit angeschlossenen GPS-Mäusen nimmt im Freizeitbereich stark zu, da mit geringem Aufwand und Kosten ein leistungsstarkes Navigationssystem verfügbar ist.
Mobiles Navigationssystem für die Benutzung im Auto, Fahrrad oder zu Fuß (Größe: 10 cm breit, 7 cm hoch)
Hier handelt es sich um GPS-Geräte, die mit umfangreicherLandkarten- undStadtplan-Software ausgestattet sind. Sie ermöglichen meist akustische Richtungsanweisungen an den Fahrer, der zum Beispiel am Beginn der Fahrt lediglich den Zielort wie z. B. Straßenname und Ort einzugeben braucht. Im Auto wird bei Festeinbauten ab Werk (sieheInfotainmentsystem) unterschieden zwischen Systemen, die Sprachausgabe mit Richtungsangaben auf einemLCD (meist im Autoradioschacht) kombinieren, sowie Sprachausgabe mit farbiger Landkartendarstellung, bei welcher der Fahrer besser räumlich sieht, wo er unterwegs ist.
In letzter Zeit habenPDA-,Smartphone- undmobile Navigationssysteme starken Zuwachs erhalten. Sie können flexibel in verschiedenen Fahrzeugen schnell eingesetzt werden. Meist wird die Routenführung grafisch auf einem Farbbildschirm mitTouchscreen dargestellt.
Bei den meisten Festeinbauten ab Werk sowie den neuesten PDA- und PNA-Lösungen werden Verkehrsmeldungen desTMC-Systems, wonach der Fahrer automatisch an Staus oder Behinderungen vorbeidirigiert werden soll, mit berücksichtigt.
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 sind und zusätzlichOdometrie-Daten wie Geschwindigkeit und Beschleunigung verwenden, um die Position präziser zu bestimmen und auch noch inFunklöchern wie z. B. Tunneln eine Position ermitteln zu können.
Der Vorteil der stark zunehmenden Navigation in Autos liegt darin, dass der Fahrer sich ganz auf den Verkehr konzentrieren kann. Theoretisch kann der Treibstoffverbrauch um 1–3 % gesenkt werden, wenn alle Fahrer den optimalen Weg wählen.
GPS kann zurDiebstahlsicherung genutzt werden. Hierzu wird die GPS-Anlage z. B. des Fahrzeuges mit einemGSM-Modul kombiniert. Das Gerät sendet dann, im Falle eines Fahrzeugdiebstahls, die genauen Koordinaten an einen Dienstleister. In Verbindung mit einemPC kann dann z. B. über dasInternet sofort die entsprechende Straße und der Ort abgelesen und die Polizei alarmiert werden.
Den großen Unterschied macht jedoch heute in miteinander vergleichbaren Systemen weniger die Technik, sondern vielmehr das jeweilige Navigationsprogramm und dessen benutzterDatenbestand aus. So gibt es derzeit von Programm zu Programm noch durchaus Unterschiede in der Routenführung.
Analog zur Nutzung der GPS-Daten in PKWs z. B. für Navigationssysteme, werden die Daten bei Omnibussen und Lastkraftwagen auch für Telematik- und Überwachungssysteme genutzt. Hierbei werden die Daten über das Mobilfunknetz auf die Server eines Dienstanbieters übertragen und der jeweiligen Disposition, sowie teilweise auch -so weit Zugriff gewünscht bzw. eingeräumt wird- den Auftraggebern zur Verfügung gestellt.
Digitaler Tachograph (mit Detailbeschriftungen)
Des Weiteren werden bei Fahrzeugen (LKW), die zur Erhebung derLKW-Maut mit einer sog. On-Board-Unit ausgestattet sind die GPS-Daten zur Abrechnung verwendet. Wobei die GPS-Positionsdaten über das Mobilfunknetz auf den Zentralserver des AnbietersToll Collect übertragen werden, wo die Berechnung aufgrund der dort zum Fahrzeug hinterlegten übrigen Fahrzeugdaten, wie Schadstoffklasse erfolgt. Die Berechnung erfolgt nicht mehr, wie das zur Anfangszeit noch üblich war, auf dem Fahrzeug bzw. der On-Board-Unit, wodurch seither auch keine konkreten Abrechnungsbeträge mehr angezeigt werden.
Mit Einführung der 4. Generation derdigitalen Tachographen (EU Mobilitätspaket I) werden die GPS-Daten und parallel auch die Daten deseuropäischen Satellitenortungssystems Galileo auch zur Überwachung der Vorschriften des Güterkraftverkehrs gespeichert. Damit können Kontrollbehörden, wie BAG und Polizei genaue Fahrtrouten des zu kontrollierenden Fahrzeugs nachvollziehen.[51]
GPS-Geräte eignen sich zum Einsatz amFahrrad, beimWandern (zum Beispiel als kompaktes Gerät am Handgelenk) oder imFlugzeug. Der Funktionsumfang der im Handel erhältlichen Geräte richtet sich nach Anwendungsbereich und Preis. Schon einfache Geräte können heute nicht bloß dieLängen- undBreitengrade anzeigen, sondern auch Richtungsangaben machen, Entfernungen berechnen und die aktuelleGeschwindigkeit angeben. Die Anzeige kann so eingestellt werden, dass ein Richtungssymbol ausgegeben wird, das in die Richtung zeigt, die vom Benutzer durch die Eingabe der Zielkoordinaten (Wegpunkt) angegeben worden ist. GPS-Geräte stellen hier eine Weiterentwicklung der klassischenNavigation mitKompass und Karte dar. Diese Funktion wird beimGeocaching benötigt. Hochwertige, moderne Geräte können neben Wegpunkten,Routen undTrack Logs auch digitale Karten speichern und damit den aktuellen Standort auf einer Karte darstellen. Für den Außenbereich liegen für verschiedene Länder topografische Karten im Maßstab 1:25.000 zur Nutzung mit dem GPS vor.
Wenngleich dieOutdoor-GPS-Geräte dafür nicht primär gedacht sind, können selbst kleine Armbandgeräte in Autos oder in der Bahn (Fensterplatz, ggf. imWagenübergang) verwendet werden; der Empfang in Gebäuden ist jedoch mit diesen Geräten gewöhnlich nicht möglich.
2018 werden in Bayern, Tirol und der Schweiz Geräte zur Ortung vonKühen auf Weiden entwickelt und getestet, umKuhglocken zu ersetzen.[52]
Spezielles Foto-GPS auf GPS-fähiger KameraFoto-GPS als Universalmodell für alle Kameras mit Blitzschuh (außer Sony)
GPS-Empfänger werden in der Fotografie eingesetzt, ähnlich den Geräten für den Einsatzim Freien. Bei der Aufnahme werden die aktuellen Koordinaten (Geo-Imaging, Geotagging, Georeferenzierung[53]) in dieExif-Daten des Bildes eingebracht und mit dem Bild gespeichert.
Einige GPS-Empfänger unterstützen die Ermittlung und Speicherung der Ausrichtung (Blickrichtung der Kamera zum Zeitpunkt der Aufnahme). Dies ist allerdings nicht immer sinnvoll, da die Möglichkeit besteht, den GPS-Empfänger zum Beispiel am Trageband der Kamera zu montieren statt auf dem Blitzschuh, wenn dieser zum Beispiel für den Blitz verwendet wird. Damit ist dann keine sichere Angabe der Richtung zu treffen.
Beeinträchtigungen des GPS-Empfangs bei nicht hinreichend freier Sicht zum Himmel, setzten der Genauigkeit von GPS je nach Bebauung, Baumbewuchs usw. in der Fotografie erhebliche Grenzen. Die Tatsache, dass viele GPS-Empfänger im Zweifelsfall die letzte bekannte Position weiter verwenden, erfordert es, sich dieser Randbedingungen bewusst zu sein und ggf. die EXIF-Daten nachträglich am PC zu korrigieren.
Ein breites Angebot von GPS-Geräten ist auf die besonderen Anforderungen der Navigation in der Seefahrt zugeschnitten. GPS gehört heute zur Grundausstattung eines Schiffes, meist alsKartenplotter, bei dem der über GPS ermittelte Schiffsort in Echtzeit auf einerElektronischen Seekarte angezeigt wird. Mobile GPS-Empfänger gibt es seit den 1980er Jahren. Mit einem Navigationsprogramm und einer GPS-Maus kann auf dem PC, Notebook oderPDA navigiert werden; heute sind die meisten Mobiltelefone GPS-fähig. In der Großschifffahrt werden integrierte elektronische Informations-, Navigations- und Schiffssteueranlagen (ECDIS) verwendet. Die für die Seenavigation bestimmten Geräte verfügen in der Regel über eine Kartenanzeige („Moving Map“) mit speziellen, elektronischenSeekarten in verschlüsselten Formaten.OpenSeaMap verwendet ein freies Format. Viele der Geräte sind wasserdicht gebaut; anspruchsvollere ermöglichen die kombinierte Darstellung der Seekarten mit weiteren Daten wie Wetterkarten oder Radardarstellungen. BeimAutomatischen Identifikationssystem (AIS) dient das GPS neben der Positionsermittlung alsZeitbasis für die Koordinierung der Sendefolge.
In Gebäuden ist der GPS-Empfang generell reduziert bis unmöglich. Im konkreten Fall hängt es neben den verwendeten Baustoffen im Gebäude und deren Dämpfungsverhalten vom Standort innerhalb eines Gebäudes ab. In Fensternähe bzw. in Räumen mit großen Fenstern und freier Sicht auf den Himmel kann je nach momentaner Satellitenposition durchaus noch eine Standortbestimmung mit reduzierter Genauigkeit möglich sein. In abgeschatteten Räumen wie beispielsweise Kellern ist der GPS-Empfang praktisch immer unmöglich.
Mit neueren Empfänger-Chipsätzen der FirmaSiRF (etwa SiRF Star III) oder der Firmau-blox (z. B. u-blox-5) ist in manchen Situationen wie in Gebäuden ein GPS-Empfang durch in Hardware massiv parallelisierteKorrelationsempfänger möglich. Statt wie bei herkömmlichen GPS-Empfängern die Korrelationen der Codefolgen (CDMA) zeitlich hintereinander durchzuprobieren und sich nur auf einen Empfangsweg festlegen zu können, werden bei diesen Chipsätzen 204.800 Korrelationsempfänger (SiRF Star III) parallel eingesetzt und zeitgleich ausgewertet. Damit kann derMehrwegeempfang reduziert werden, und in Kombination mit einer gesteigerten Eingangsempfindlichkeit des HF-Eingangsteils können die an Wänden oder Böden reflektierten GPS-Funksignale unter Umständen im Inneren von Gebäuden oder engen Gassen in dicht verbauten Gebieten noch ausgewertet werden. Allerdings ist bei indirektem Empfang von GPS-Signalen über Reflexionen eine Reduktion der Genauigkeit verbunden, da das Signal dann eine längere Laufzeit aufweist und die genauen zeitlichen Bezüge nicht mehr passen. Der zusätzliche Fehler über Mehrwegeempfang kann einige 10 m betragen.
Die Verwendung von GPS bei strafrechtlichen Ermittlungen in Deutschland ist legal. DerEuropäische Gerichtshof für Menschenrechte (EGMR) wies am 2. September 2010 die Klage eines einstigen Mitglieds der linksextremistischen „Antiimperialistische Zellen“ (AIZ) ab. Damit hat der EGMR die Einschätzung desBundesverfassungsgerichts bestätigt, das am 12. April 2005 (2 BvR 581/01) so geurteilt und die Beschwerde vonBernhard Uzun zurückgewiesen hatte.[54]
Der EGMR wies in seinem Urteil darauf hin, dass mit der Überwachung weitere Bombenanschläge verhindert werden sollten. „Sie diente damit dem Interesse der nationalen undöffentlichen Sicherheit, der Vorbeugung von Verbrechen und dem Schutz der Rechte der Opfer.“[55]
Bei Fahrzeugortungen werden versteckte GPS-Ortungsgeräte sowohl von den Behörden als auch von privaten Ermittlern verwendet. Diese Ortungsgeräte sind sehr klein und werden magnetisch am Unterboden der Fahrzeuge in wenigen Sekunden angebracht. Sie funktionieren wochenlang ohne externe Stromquelle. Die Ortungsdaten werden entweder per Funk live übertragen oder aufgezeichnet.
GPS-Referenzpunkt vor dem Landratsamt nahe dem Archäologischen Landesmuseum in Konstanz
Uli Benker:GPS. Praxisbuch und Ratgeber für die GPS-Navigation auf Outdoor-Touren. Bruckmann, München 2009,ISBN 978-3-7654-5110-2.
Manfred Bauer:Vermessung und Ortung mit Satelliten. 6. Auflage. Wichmann, Berlin 2011,ISBN 978-3-87907-482-2.
Martin Asbeck, Stefan Drüppel, Klaus Skindelies, Markus Stein:Vermessung und Geoinformation. Fachbuch für Vermessungstechniker und Geomatiker. Hrsg.: Michael Gärtner. Gärtner, Solingen 2012,ISBN 978-3-00-038273-4,S.111–123.
↑IS-GPS-200 Offizielle Website derGPS PUBLIC INTERFACE CONTROL WORKING GROUP (engl.) mit der ReferenzdokumentationIS-GPS-200 in der jeweils aktuellen Fassung.
↑Total abhängig. In: aargauerzeitung.ch. 13. August 2015, abgerufen am 13. August 2015.
↑AF Announces selection of GPS III follow-on contract. In:Air Force. (englisch,Online [abgerufen am 29. November 2025]).
↑abParcae. America's Ears in Space. In: National Reconnaissance Office. Centre for the Study of National Reconnaisance, 22. September 2023, abgerufen am 28. Januar 2025 (englisch).
↑J.-F. Pascual-Sánches:Introducing relativity in global navigation satellite systems. In:Annalen der Physik.Band16,Nr.4. Wiley-VCH, 2007,ISSN0003-3804,S.258–273,doi:10.1002/andp.20075190403 (englisch).
↑Martin Asbeck, Stefan Drüppel, Klaus Skindelies, Markus Stein:Vermessung und Geoinformation. Fachbuch für Vermessungstechniker und Geomatiker. Hrsg.: Michael Gärtner. Gärtner, Solingen 2012,ISBN 978-3-00-038273-4,S.114–115.
↑GPS-RaceMap 2010. In: 100km-duathlon.de. Verein für Ausdauersport Dresden e. V., archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 18. April 2012; abgerufen am 28. Dezember 2012.
.jpg)
.JPG)
