GPS-Technik

Geschichte und Technik des Global Positioning System (GPS)

Die Entwicklung und der Aufbau des GPS-Satellitensystems dauerte über 20 Jahre und war keineswegs einfach. Wie GPS entstand und welche Technik dahinter steckt, lesen Sie in unserem Überblick.
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GPS-IIIA Navigationssatellit (Symbolbild)Start geplant ab 2014: GPS-IIIA Die Entwicklung und der Aufbau des GPS-Satellitensystems, vom Startschuss im Jahr 1973 bis zur vollen Betriebs­bereitschaft im Jahr 1995, dauerte über 20 Jahre und war keineswegs eine Bilderbuch-Geschichte. Das Budget des Programms wurde mehrfach gekürzt und wieder aufgestockt, die Zahl der ursprünglich geplanten 24 Satelliten wurde erst auf 18 zusammen­gestrichen und dann, nachdem klar geworden war, dass die Funktion des Systems damit nicht gewährleistet werden konnte, wieder erhöht.

Nach ersten Systemtests ab dem Jahr 1974 wurden die GPS-Satelliten der ersten Generation - die so genannten Block-I-Satelliten - ab dem Jahr 1978 in ihre Umlauf­bahn etwa 20 000 Kilometer über dem Erdboden geschickt. Der erste Block-II-Satellit wurde im Jahr 1989 installiert und mittlerweile haben die Block-II-Satelliten die Vorgänger-Generation vollständig abgelöst. Aber die nächste Generation der GPS-Satelliten, die Block-III-Satelliten, steht nach einigen Anfangs­schwierigkeiten bereits in den Start­löchern und soll voraussichtlich ab dem Jahr 2014 in den Orbit gebracht werden.

Freigabe zur zivilen Nutzung ab 2000 bringt Navigationsboom

Als Wendepunkt in der Geschichte von GPS gilt der Abschuss der Linien­maschine Korean Airlines Flight 007, die im Jahr 1983 vom Kurs abgekommen in den sowjetischen Luft­raum geflogen war und dort von sowjetischen Abfangjägern abgeschossen wurde. Als Reaktion auf diesen tragischen Vorfall verkündete der damalige US-Präsident Reagan, das GPS-System solle nach seiner Fertig­stellung auch für die zivile Nutzung freigegeben werden.

Die so genannte erste Betriebs­bereitschaft von GPS (IOC - Initial Operational Capability) erfolgte allerdings erst im Jahr 1993. In diesem Jahr wurde auch die Freigabe zur zivilen Nutzung definitiv beschlossen. Nachdem 1994 die Satelliten­konstellation mit einem weiteren Block-II-Satelliten vervollständigt worden war, wurde 1995 die volle Betriebs­bereitschaft (FOC - Full Operational Capability) bekannt gegeben.

Für die zivile Nutzung von GPS wurde aber zunächst nur ein künstlich verschlechterter Dienst (SA - Selective Availability) bereitgestellt, der eine Positions­bestimmung mit einer Genauigkeit von nur etwa 100 Metern gestattete. Die Selective Availability wurde erst im Jahr 2000 abgeschaltet. Seitdem sind auch für zivile Nutzer Positions­bestimmungen mit einer Genauigkeit von etwa 15 Metern möglich. Die Abschaltung der Selective Availability wird allgemein als Voraussetzung für den Erfolg der zivil genutzten Navigations­systeme gesehen.

Zusätzliche Bodenstationen verbessern Genauigkeit

Mit Erweiterungs­systemen lässt sich die Genauigkeit der GPS-Positions­bestimmung noch weiter verbessern. Die SBAS (Satellite Based Augmentation System) genannten Systeme nutzen Boden­stationen mit exakt bekannten Positionen. Dadurch können sie Korrektur­signale für GPS errechnen und so in frei verfügbaren Diensten Standort­bestimmungen mit einer Genauigkeit von etwa einem bis drei Metern möglich machen. Der weltweit verfügbare kommerzielle Dienst OmniSTAR bietet hier sogar Genauigkeiten im Bereich von zehn Zentimetern.

Die Korrektur­signale beziehen sich auf Fehler wie Schwankungen in den Umlaufbahnen der Satelliten oder Störungen der Laufzeit der Signale in der Ionosphäre und werden über geostationäre Satelliten übertragen. Es gibt verschiedene untereinander kompatible SBAS-Systeme wie WAAS (Wide Area Augmentation System) für Amerika, EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) für Europa oder MSAS für Japan. EGNOS arbeitet mit etwa 30 Bodenstationen und drei geostationären Satelliten (Artemis und Inmarsat). SBAS-Systeme werden vor allem in der Luffahrt genutzt, es gibt auch aber handelsübliche GPS-Empfänger, die SBAS-Dienste unterstützen.

A-GPS: Entlastung von GPS durch Mobilfunk

A-GPS (Assisted GPS) verbindet die Positions­bestimmung per Satellit mit Assistenz­informationen, die über Mobilfunk­netze ausgesendet werden. Der individuelle GPS-Empfänger wird mit A-GPS entlastet: Er muss nur noch die Ankunfts­zeiten der Satelliten-Signale messen. Der Empfang weiterer Informationen wie Fehler­korrektur-Daten übernimmt ein an das A-GPS-System angeschlossener Referenz­empfänger. Der Vorteil von A-GPS ist eine wesentlich schnellere Positions­bestimmung (TTFF - Time to First Fix) und bessere Lokalisierungs­möglichkeit auch in Umgebungen mit schlechtem GPS-Empfang wie in Städten.

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