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.
Von Susanne Kirchhoff

Grafik mit 3 Satelliten zur Positionsbestimmung Geschichte und Technik des Global Positioning System (GPS)
Bild: teltarif.de
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 wieder erhöht, nachdem klar geworden war, dass die Funk­tion des Systems sonst nicht gewähr­leistet werden konnte. Vom US-Verteidigungs­ministerium entwi­ckelt, war GPS das erste funk­tions­fähige GNSS (Global Navi­gation Satel­lite System). Obwohl es mitt­ler­weile weit­rei­chende zivile Anwen­dungen des Ortungs­systems gibt, wird es bis heute von der U.S. Air Force betrieben.

Über 20 Jahre GPS: Vom Start in die Zukunft

Nach ersten System­tests im 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.

Anfang 2016 waren insge­samt 30 funk­tions­fähige Satel­liten in der Umlauf­bahn. Mit einer Lauf­zeit älterer Modelle von 7,5 Jahren und neuerer Block-II-Satel­liten von 12 Jahren werden die Modelle konti­nuier­lich weiter­ent­wickelt und stück­weise durch aktu­ellere Satel­liten ausge­tauscht. So star­tete die nächste Gene­ration der GPS-Satel­liten, die Block-III-Satel­liten, nach längeren Verzö­gerungen im Mai 2017 ins All.

Frei­gabe zur zivilen Nutzung ab 2000 bringt Navi­gati­ons­boom

GPS-IIIA Navigationssatellit (Symbolbild) GPS-Block-III-Satellit
Grafik: GPS / Lockheed Martin
Als Wende­punkt in der Geschichte von GPS gilt der Abschuss der Linien­maschine Korean Airlines Flight 007, die im Jahr 1983, nachdem sie vom Kurs abge­kommen und in den sowje­tischen Luft­raum geflogen war, 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, gab das US-ameri­kani­sche Verkehrs­minis­terium (DoT) 1995 die volle Betriebs­bereitschaft (FOC - Full Opera­tional Capa­bility) bekannt.

Grafik mit 3 Satelliten zur Positionsbestimmung Geschichte und Technik des Global Positioning System (GPS)
Bild: teltarif.de
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 Abschal­tung der Selec­tive Availa­bility erfolgte erst im Jahr 2000. Seitdem sind auch für zivile Nutzer Positions­bestimmungen mit einer Genau­igkeit von etwa 10 Metern sowie zuver­läs­sigere Höhen­bestim­mungen 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, womit frei verfüg­bare Dienste auch Standort­bestimmungen mit einer Genau­igkeit von etwa einem bis drei Metern errei­chen können. Der welt­weit verfüg­bare kommer­zielle Dienst OmniSTAR bietet hier sogar Genau­igkeiten im Bereich von zehn Zenti­metern.

EGNOS Satellitenservice EGNOS Satellitenservice
Grafik: ESA
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, MSAS (Multi-Func­tional Satel­lite Augmen­tation System) für Japan oder GAGAN (GPS Aided Geo Augmented Navi­gation) für Indien. EGNOS arbeitet mit etwa 30 Boden­sta­tionen und drei geosta­tio­nären Satel­liten (Artemis und Inmarsat). Neben der Luft­fahrt unter­stützen die SBAS-Systeme so auch eine genauere Anwen­dung für die Navi­gation im Stra­ßen­ver­kehr.

A-GPS: Schnel­lere GPS-Ortung 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. Den Empfang weiterer Infor­mationen wie Fehler­korrektur-Daten über­nimmt ein an das A-GPS-System ange­schlos­sener Referenz­empfänger. Der Vorteil von A-GPS ist neben einer wesent­lich schnel­leren Positions­bestimmung (TTFF - Time To First Fix) die bessere Lokalisierungs­möglichkeit auch in Umge­bungen mit schlechtem GPS-Empfang wie in Städten, was sich vor allem positiv auf die tägliche Navi­gation mit dem Smart­phone auswirkt.

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