GPS / Global Positioning System
Das Global Positioning System (GPS) ist ein satellitenbasiertes Navigations‑ und Ortungssystem, das von den United States Space Force (früher Air Force) betrieben wird. Es besteht aus einem Netz von mindestens 24 aktiven Satelliten, die in sechs orbitalen Bahnen (4 Satelliten pro Bahn) in einer Höhe von etwa 20 200 km um die Erde kreisen. Jeder Satellit sendet kontinuierlich ein codiertes Funksignal, das die exakte Uhrzeit (Mikrosekunden‑Genauigkeit) und seine eigene ephemeride (Bahndaten) enthält.
Ein GPS‑Empfänger (z. B. Smartphone, Fahrzeug‑Navigation, Wearable) erfasst gleichzeitig Signale von mindestens four Satelliten, berechnet die Laufzeit jedes Signals und bestimmt daraus die Distanz zu den einzelnen Satelliten. Durch Trilateration (mehrere Entfernungen) wird die dreidimensionale Position des Empfängers (Latitude, Longitude, Höhe) sowie die Uhrzeit bestimmt.
Kernkomponenten
- Satellitenkonstellation: 24 bis 32 aktive Satelliten, verteilt über 6 Bahnen, um jederzeit mindestens vier Satelliten über dem Horizont zu haben.
- Control Segment: Bodenstationen (Master Control Station, Monitor Stations, Upload Stations) zur Überwachung, Kalibrierung und Befehlsübermittlung an die Satelliten.
- User Segment: GPS‑Empfänger, die das Signal dekodieren und Positions‑/Zeitinformationen erzeugen.
Signalstruktur
- L1‑Band (1575,42 MHz): Trägt das zivile C/A‑Code‑Signal (Coarse/Acquisition) und das militärische P‑Code‑Signal.
- L2‑Band (1227,60 MHz): Enthält das zivile L2C‑Signal und das militärische P‑Code‑Signal.
- L5‑Band (1176,45 MHz): Neuere, sicherere zivile Signale (L5) für höhere Genauigkeit.
Genauigkeit
- Zivile Nutzung: typischerweise 3‑5 Meter horizontal, 5‑10 Meter vertikal.
- Mit Differential GPS (DGPS) oder SBAS (Satellite‑Based Augmentation System, z. B. WAAS, EGNOS) kann die Genauigkeit auf < 1 Meter verbessert werden.
- Real‑Time‑Kinematic (RTK)‑Methoden erreichen Zentimeter‑Genauigkeit für präzise Anwendungen (Surveying, Landwirtschaft).
Anwendungen
- Navigation (Auto‑GPS, Smartphones, Boots‑ und Flugnavigation).
- Zeit‑Synchronisation (Telekommunikationsnetze, Finanztransaktionen).
- Geodaten‑Erfassung (Kartierung, GIS, Vermessung).
- Notfall‑Lokalisierung (SOS‑Funktionen, Rettungsdienste).
- IoT‑Tracking (Fahrzeug‑Flotten, Logistik, Tier‑/Personen‑Tracking).
Rechtliche Rahmenbedingungen
- Das zivil‑GPS‑Signal ist frei nutzbar, keine Lizenzgebühren.
- Militärische Signale (P‑Code) sind gesperrt und unterliegen Export‑ und Nutzungsbeschränkungen.
Einschränkungen
- Signalabschattung: Gebäude, Tunnel, dichte Bewaldung können das Signal blockieren.
- Mehrwegeausbreitung: Reflexionen an Gebäuden führen zu Positionsfehlern (Urban‑Canyon‑Effekt).
- Jamming/Spoofing: Absichtliche Störung oder Vortäuschung falscher Signale kann die Genauigkeit beeinträchtigen.
