GPS-Funktionsweise

GPS basiert auf Satelliten, die ständig Signale ausstrahlen, aus deren Signallaufzeit GPS-Empfänger ihre Position bestimmen können. Theoretisch reichen dazu die Signale aus drei Satelliten, da daraus die genaue Position und Höhe bestimmt werden kann. In der Praxis haben aber die meisten GPS-Empfänger keine Uhr, die genau genug ist, um daraus die Laufzeiten korrekt berechnen zu können. Deshalb wird meist das Signal eines vierten Satelliten benötigt.

Mit den GPS-Signalen lässt sich aber nicht nur die Position, sondern auch die Geschwindigkeit des Empfängers bestimmen. Dieses erfolgt im allgemeinen über die numerische Differenzierung der Ortsänderung über die Zeit. Die Bewegungsrichtung des Empfängers kann ebenfalls ermittelt werden und als künstlicher Kompass oder zur Ausrichtung von elektronischen Karten dienen.

Damit ein GPS-Empfänger immer zu mindestens vier Satelliten Kontakt hat, werden insgesamt mindestens 24 Satelliten eingesetzt, die die Erde jeden Sternentag zweimal in einer Höhe von 20.200 km umkreisen. Jeweils mindestens vier Satelliten bewegen sich dabei auf jeweils einer der 6 Bahnebenen, die 55° gegen die Äquatorebene inkliniert (geneigt) sind und gegeneinander um jeweils 60° verdreht sind.

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 5 oder mehr Satelliten verwenden kann. Aktuell benötigt man 60 Tage für das Austauschen eines Satelliten; aus Kostengründen versucht man diesen Zeitraum auf 10 Tage zu senken und somit die Satellitenanzahl auf 25 zu reduzieren.

Die Signale werden zur Zeit auf zwei Frequenzen ausgesendet:

Mit der so genannten L1-Frequenz (1575,42 MHz) wird der C/A-Code („Coarse/Acquisition“) für die zivile Nutzung, der verschlüsselte P/Y-Code („Precision/encrypted“) für die militärische Nutzung und eine Navigationsnachricht übertragen. Die 1500 bit lange Navigationsnachricht enthält alle wichtigen Informationen zum Satelliten (Datum, Identifikationsnummer, Korrekturen, Bahnen, aber auch den Zustand) und benötigt zur Übertragung ungefähr eine halbe Minute. GPS-Empfänger speichern diese Daten normalerweise zwischen. Zur Initialisierung der Geräte werden des Weiteren auch die so genannten Almanach-Daten übertragen, die die groben Bahndaten aller Satelliten enthält und zur Übertragung über zwölf Minuten benötigt.

Die zweite Frequenz L2-Frequenz (1227,60 MHz) überträgt nur den P/Y-Code. Durch die Übertragung auf zwei Frequenzen können ionosphärische Effekte, die zur Erhöhung der Laufzeit führen, herausgerechnet werden.

Momentan ist eine dritte L5-Frequenz (1176,45 MHz) im Aufbau. Sie soll die Robustheit des Empfangs weiter verbessern und ist vor allem für die Luftfahrt und Safety-of-Life-Anwendungen vorgesehen. Bei der derzeitigen Geschwindigkeit des Ausbaus ist mit einer Fertigstellung ab 2010 und einem Regelbetrieb ab 2013 zu rechnen.

Der gesendete C/A-Code ist eine pseudozufällige, 1023 Bit lange Kette aus Einsen und Nullen, die bei jedem Satelliten eindeutig ist. Diese 1023 Bits lange Kette wird in 1 ms übertragen. Da die Bits nicht unmittelbar die Informationen tragen, werden sie in diesem Fall häufig als „chips“ bezeichnet. Durch dieses „pseudozufällige Rauschen“ (PRN: Pseudo Random Noise) sind die Signale weniger anfällig gegenüber Interferenzen und alle Satelliten können auf der gleichen Frequenz senden.

In den verwendeten Frequenzbereichen breitet sich die elektromagnetische Strahlung ähnlich wie sichtbares Licht fast geradlinig aus und wird dabei durch das Wetter (Bewölkung, Niederschlag) nur wenig beeinflusst. Deshalb - und durch die geringe Sendeleistung der GPS-Satelliten - ist für den besten Empfang der Signale eine direkte Sichtverbindung zum Satelliten erforderlich. In Gebäuden, Tunneln, Tiefgaragen etc. war ein GPS-Empfang bis vor kurzem nicht möglich. Neue Empfängertechnologien ermöglichen jedoch nun auch Anwendungen in Gebäuden. Auch zwischen hohen Gebäuden kann es durch mehrfach reflektierte Signale (Mehrwege-Effekt) zu Ungenauigkeiten kommen. Zudem ergeben sich z. T. große Ungenauigkeiten bei ungünstigen Satellitenkonstellationen, z. B. wenn nur drei dicht beieinander stehende Satelliten aus einer Richtung zur Positionsberechnung zur Verfügung stehen. Für eine genaue Positionsermittlung sollten möglichst Satellitensignale aus verschiedenen Himmelsrichtungen empfangbar sein.

Für die zentrale Kontrolle des GPS ist das Space Warfare Center des Air Force Space Command (AFSPC) der US Air Force auf der Schriever AFB, Colorado zuständig.

Die technische Realisierung einschließlich ihrer mathematischen Grundlagen wird im Artikel GPS-Technologie beschrieben.

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel 'Galileo (Satellitennavigation)' aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.