1.

Einleitung

Global Positioning System (GPS, Globales Positionsbestimmungssystem), spezielles Satellitenfunknavigationssystem, das aus 24 Satelliten sowie Relaisstationen auf der Erde besteht. Mit Hilfe des GPS lassen sich rund um die Uhr, an jedem Punkt der Welt und bei jedem Wetter Angaben über eine genaue dreidimensionale Position (Länge, Breite, Höhe) sowie Geschwindigkeit und Zeit machen.

2.

Geschichte und Entwicklung

Betrieben und unterhalten wird das Navstar Global Positioning System vom US-amerikanischen Verteidigungsministerium, das es 1973 als Navigationshilfe einführte. Aufgrund zahlreicher Vorteile für die Navigation gewann GPS für ein breites Spektrum von Anwendern an Attraktivität, zumal es schon mit kleinen, kostengünstigen Geräten genutzt werden kann.

3.

Fähigkeiten

GPS gibt es in zwei Versionen: Als Standarddienst (SPS: Standard Positioning Service) mit einer auf 100 Meter genauen Positionsangabe und als Präzisionsdienst (PPS: Precise Positioning Service) mit einer Genauigkeit bis auf 20 Meter. Eine vom Militär genutzte Ausführung ist zusätzlich gegen Störungen und Störsignale geschützt.

Verbesserte Techniken wie das differentielle GPS (DGPS) und der Einsatz von Trägerfrequenzen ermöglichen Positionsangaben unterhalb von drei Metern für DGPS-Anwender. In der Landvermessung werden inzwischen Werte von einem Zentimeter und weniger erreicht. SPS, DGPS und Trägertechniken sind allen Anwendern zugänglich.

4.

Die Arbeitsweise von GPS

GPS-Satelliten sind mit äußerst präzisen Chronometern (Atomuhren) ausgestattet und strahlen die Zeitinformation in Form von Codes aus, so dass ein Empfänger ständig den Sendezeitpunkt des Signals bestimmen kann. Es enthält Daten, die im Empfänger für die exakte Positionsberechnung verarbeitet werden. So wird die Differenz zwischen dem Zeitpunkt des Empfangs und der Absendezeit des Signals verwendet, um die Entfernung zum Satelliten zu berechnen. Dabei berücksichtigt das Empfangsgerät automatisch Verzögerungen durch die Ionosphäre und die Troposphäre.

Mit Hilfe der Entfernung zu drei Satelliten und ihrer Position zum Sendezeitpunkt berechnet der Empfänger seine Position nach geographischer Breite und Länge sowie seiner Höhe. Dazu muss das Empfangsgerät wie der Satellit ebenfalls mit einer Atomuhr ausgerüstet sein. Ist das GPS-Gerät jedoch in der Lage, die Signale von vier Satelliten zu verarbeiten, kann eine Atomuhr entfallen.

5.

Die Komponenten und Anwendungen des GPS

Delta-Raketen transportieren die GPS-Satelliten von Kap Canaveral in Florida (USA) auf eine Umlaufbahn in 17 440 Kilometer Höhe, wo sie die Erde in zwölf Stunden umrunden. Die Bahnen sind um 55 Grad gegenüber dem Äquator geneigt, damit sie in den Polregionen ebenfalls empfangen können. Da sie durch Solarzellen mit Energie versorgt werden, drehen sich die Satelliten ständig so, dass diese in Richtung Sonne weisen, während die Antennen in Richtung Erde zeigen. Jeder Satellit enthält vier Atomuhren.

Hauptleitstelle für den GPS ist der Luftwaffenstützpunkt Falcon in Colorado Springs (Colorado, USA). Überwachungsstationen sind auf Hawaii, auf der Insel Ascension im Atlantik, in Diego Garcia im Indischen Ozean und auf der Insel Kwajalein im Südpazifik. Dort vorgenommene Messungen ermöglichen die Berechnung der genauen zu erwartenden Umlaufbahnen der Satelliten. Diese Vorhersagedaten, die wiederum über Satellit in die Empfangsgeräte gesendet werden, sind Voraussetzung für die Positionsbestimmung.

Militärisch wurde und wird das Raketen-GPS in Kampfflugzeugen und Kampfhubschraubern, Kriegsschiffen, U-Booten, Panzern und anderen Militärfahrzeugen verwendet. Außerdem gehören GPS-Geräte – wie im Golfkrieg – zu den Kampfausrüstungen von Soldaten. Darüber hinaus ist das GPS eine Navigationshilfe für die Zielortung in Raketen und wird bei so genannten „intelligenten” Bomben zur Treffpunktbestimmung eingesetzt.

Die zivile Nutzung des GPS ist breit. Noch bevor sich alle Satelliten vollständig in ihren Umlaufbahnen befanden, setzten Landvermesser GPS ein, um tage- oder wochenlange Arbeitszeit mit Standardmessmethoden zu sparen. GPS wird heutzutage in Flugzeugen und Schiffen für die Streckennavigation und bei der Annäherung an Flugplatz bzw. Hafen genutzt. Eine besondere Leistung war hierbei etwa die im Dezember 2000 gelungene Lokalisierung der Quelle des Amazonas auf einen Meter genau. GPS-Streckensysteme überwachen Lastwagen und Notfallfahrzeuge, um eine optimale Streckenführung zu vermitteln. GPS steht außerdem für Autofahrer und Wanderer zur Ortsbestimmung zur Verfügung.

Eine Anwendungsmöglichkeit jüngeren Datums ist der Einsatz von GPS als Frühwarnsystem für Vulkanausbrüche. Zu diesem Zweck installierten amerikanische Forscher bereits an bestimmten Positionen innerhalb gefährdeter Vulkangebiete Empfangseinrichtungen mit Sendern. Mit Hilfe der Sender lassen sich die jeweiligen Positionen zu einer zentralen Stelle schicken, wo anschließend aus den Daten die Bewegungen der Erdoberfläche bestimmt werden.