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 / Julian Ruecker

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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 sogenannten 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 sogenannte 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, GAGAN (GPS Aided Geo Augmented Navigation) für Indien oder SDCM (System for Differential Corrections and Monitoring) für Russland. EGNOS arbeitet mit etwa 40 Bodenstationen und drei geostationären Satelliten (SES-5, Astra 5B und Eutelsat 5 West B). 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.

Hintergrund: Technik und Geschichte von GPS und Co.