gps ortungssysteme


Das Global Positioning System (GPS; deutsch Globales Positionsbestimmungssystem), offiziell NAVSTAR GPS, ist ein globales Navigationssatellitensystem zur Positionsbestimmung. Es wurde seit den 1970er-Jahren vom US-Verteidigungsministerium entwickelt und löste ab etwa 1985 das alte Satellitennavigationssystem NNSS (Transit) der US-Marine ab, ebenso die Vela-Satelliten zur Ortung von Kernwaffenexplosionen. GPS ist seit Mitte der 1990er-Jahre voll funktionsfähig 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 wichtigste Ortungsverfahren etabliert und wird in Navigationssystemen weitverbreitet genutzt.

Die offizielle Bezeichnung ist „Navigational Satellite Timing and Ranging – Global Positioning System“ (NAVSTAR GPS). NAVSTAR wird manchmal auch als Abkürzung für „Navigation System using Timing and Ranging“ genutzt. GPS wurde am 17. Juli 1995 offiziell in Betrieb genommen.

Die Abkürzung GPS ist inzwischen so sehr etabliert, dass sie umgangssprachlich, zum Teil sogar fachsprachlich, als generische Bezeichnung oder pars pro toto für alle Satellitennavigationssysteme benutzt wird.

Einsatzgebiete
GPS war ursprünglich zur Positionsbestimmung und Navigation im militärischen Bereich (in Waffensystemen, Kriegsschiffen, Flugzeugen usw.) vorgesehen. Ein Vorteil ist dabei, dass GPS-Geräte nur Signale empfangen und nicht senden. So kann navigiert werden, ohne dass der Feind Informationen über den eigenen Standort erhält. Heute wird es auch im zivilen Bereich genutzt: in der Seefahrt, Luftfahrt, durch Navigationssysteme im Auto, zur Positionsbestimmung und -verfolgung im Rettungs- und Feuerwehrdienst sowie im ÖPNV, zur Orientierung im Outdoor-Bereich etc. DGPS-Verfahren haben in Deutschland nach dem Aufbau des Satellitenpositionierungsdienstes der deutschen Landesvermessung (SAPOS) besondere Bedeutung in der Geodäsie, da sich damit landesweit Vermessungen in cm-Genauigkeit durchführen lassen. In der Landwirtschaft wird es beim Precision Farming zur Positionsbestimmung der Maschinen auf dem Acker genutzt. Ebenso wird GPS nun auch im Leistungssport verwendet. Speziell für den Einsatz in Mobiltelefonen wurde das Assisted Global Positioning System (A-GPS) entwickelt.

Aufbau und Funktionsweise der Ortungsfunktion
Das Prinzip der GPS-Satellitenortung beschreibt der Artikel Globales Navigationssatellitensystem.

GPS basiert auf Satelliten, die mit codierten Radiosignalen ständig ihre aktuelle Position und die genaue Uhrzeit ausstrahlen. Aus den Signallaufzeiten können spezielle GPS-Empfänger dann ihre eigene Position und Geschwindigkeit berechnen. Theoretisch reichen dazu die Signale von drei Satelliten aus, welche sich oberhalb ihres Abschaltwinkels befinden müssen, da daraus die genaue Position und Höhe bestimmt werden kann. In der Praxis haben aber GPS-Empfänger keine Uhr, die genau genug ist, um die Laufzeiten korrekt zu messen. Deshalb wird das Signal eines vierten Satelliten benötigt, mit dem dann auch die genaue Zeit im Empfänger bestimmt werden kann. Zur Mindestanzahl der benötigten Satelliten siehe Artikel GPS-Technik.

Mit den GPS-Signalen lässt sich aber nicht nur die Position, sondern auch die Geschwindigkeit des Empfängers bestimmen. Dieses erfolgt allgemein über Messung des Dopplereffektes oder die numerische Differenzierung des Ortes nach der Zeit. Die Bewegungsrichtung des Empfängers kann ebenfalls ermittelt werden und als künstlicher Kompass oder zur Ausrichtung von elektronischen Karten dienen. Die Kompass-Funktion beruht ebenfalls auf dem Dopplereffekt. Das bedeutet, dass es bei ruhendem Empfänger nicht möglich ist, eine genaue Kompassmessung durchzuführen. Setzt sich der Empfänger in Bewegung, steht eine Kompassmessung erst nach kurzer Verzögerung zur Verfügung. Neuere Navigationssysteme verwenden hauptsächlich Magnetometer zur Kompassmessung.

Damit ein GPS-Empfänger immer zu mindestens vier Satelliten Kontakt hat, werden insgesamt mindestens 24 Satelliten eingesetzt, die die Erde jeden Sterntag zweimal in einer mittleren Bahnhöhe von 20.200 km umkreisen. Jeweils mindestens vier Satelliten bewegen sich dabei auf jeweils einer der sechs Bahnebenen, die 55° gegen die Äquatorebene inkliniert (geneigt) sind und gegeneinander um jeweils 60° verdreht sind. Da die Erde gleichzeitig in einem Sterntag fast eine komplette Drehung um die eigene Achse vollführt, steht ein Satellit nur einmal täglich über demselben Punkt der Erde (genau: alle 23 Stunden 55 Minuten und 56,6 Sekunden).

Ein Satellit hat eine erwartete Lebensdauer von 7,5 Jahren, doch funktionieren die Satelliten häufig deutlich länger. Um Ausfälle problemlos zu verkraften, wurden daher bis zu 31 Satelliten in den Orbit gebracht, sodass man auch bei schlechten Bedingungen fünf oder mehr Satelliten verwenden kann. Derzeit benötigt man 60 Tage für das Austauschen eines Satelliten; aus Kostengründen versucht man, diesen Zeitraum auf zehn Tage zu senken, mit dem Ziel, die Satellitenanzahl auf 25 reduzieren zu können.

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