Global Positioning System

Das GPS (Global Positioning System) versetzt heute den mit einem GPS-Empfänger ausgerüsteten Nutzer (z. B. einen Segler oder Wanderer, aber auch Piloten oder Kfz-Führer) weltweit, jederzeit, wetterunabhängig und schnell in die Lage, seine Position auf der Erdoberfläche (nach geografischer Länge und Breite oder umgerechnet in andere Koordinatensysteme) zu ermitteln.

Das derzeit optimal nutzbare System ist das NAVSTAR-GPS (Navigation System with Timing and Ranging – Global Positioning System), das seit den 70er Jahren vom US-Verteidigungsministerium aufgebaut wurde. Es ist seit 1995 mit 24 Satelliten voll funktionsfähig. Mit einer auf ca. 10 Meter begrenzten Genauigkeit steht es heute auch allen zivilen Nutzern weltweit zur Verfügung.

Das GPS ist ein passives System (Bild 1). Der Nutzer empfängt nur die von mindestens vier Satelliten gleichzeitig ausgestrahlten Signale. Auf dieser Grundlage ermittelt er dann automatisch mit seinem Empfänger, einem relativ einfachen Gerät, seinen Standort auf der Erdoberfläche. Dieser ergibt sich nach dem Prinzip des räumlichen Bogenschlags aus den Entfernungen zwischen dem Empfänger und den Satelliten. Die Strecken werden unter Berücksichtigung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen bzw. des Lichts aus den Laufzeiten der gesendeten Satellitensignale ermittelt. Die Satellitensignale bestehen im Wesentlichen aus der hochgenauen Uhrzeit am Beginn einer Sendesequenz sowie den Bahndaten des jeweiligen Satelliten. An Bord der Satelliten befinden sich deshalb auch Atomuhren.

Global Positioning System (GPS): Komponenten und Funktionsweise

Global Positioning System (GPS): Komponenten und Funktionsweise

Die permanente weltweite Verfügbarkeit wird durch mindestens 24 Satelliten erreicht, die mit jeweils gleichem Abstand auf sechs Bahnen verteilt sind. Alle Bahnen sind im Winkel von 55° zur Äquatorebene geneigt. Die Bahnhöhe der Satelliten ist mit ca. 20200 km über der Erdoberfläche deutlich größer als z. B. bei Fernerkundungs-, Wetter oder Kommunikationssatelliten. Fünf Kontrollstationen beobachten die Satellitenbewegung, berechnen präzise die aktuellen Bahndaten, beobachten die Satellitenuhren und übersenden ständig alle diese Informationen an die Satelliten zur Weitergabe an die Empfänger der Nutzer.

Durch das Herausrechnen von Ungenauigkeit mittels Vergleichsstationen, deren genaue Koordinaten bekannt sind, kann die erzielte Genauigkeit bei der Ortsbestimmung noch erheblich gesteigert werden. Man spricht dann von DGPS (differenzielles GPS). Die an der Referenzstation ermittelten Abweichungen zwischen ihrem wahren Ort und dem durch GPS berechneten Ort werden per Radiowellen ausgesendet und können innerhalb ihres Empfangsbereiches zur Korrektur in entsprechend ausgestatteten DGPS-Empfängern verwendet werden. Auf diese Weise wird heute durch das DGPS eine Vermessungsgenauigkeit von 1 bis 3 cm erreicht, im Postprocessing mit aufwendigerer nachträglicher Korrekturrechnung auch eine Genauigkeit im Millimeterbereich. Damit können heute beispielsweise die Jahresbeträge der Kontinentalverschiebung von einigen Zentimetern hinreichend sicher gemessen werden.

Das russische GPS-System „Glonass“ befindet sich noch im Aufbau. Auch die europäische Union beabsichtigt, für zivile Zwecke bis zum Jahr 2008 das von den USA sowie von Russland unabhängige GPS-System „Galileo“ einzurichten. Durch die gleichzeitige Verarbeitung der Signale aller dieser Systeme in einem Empfänger wird man die Standardgenauigkeit der Verortung für die Nutzer weiter steigern können.

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