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Das Global Positioning System (GPS) ist ein satellitengestütztes Navigationssystem zur weltweiten Positionsbestimmung, das vom United States Department of Defense (US-Verteidigungsministerium) betrieben wird. GPS löste das ältere Satellitennavigationssystem Transit der United States Navy ab.

Die offizielle Bezeichnung ist NAVSTAR - GPS (Navigational Satellite Timing and Ranging - Global Positioning System; NAVSTAR wird manchmal auch als Abkürzung für Navigation System using Timing and Ranging benutzt). Im allgemeinen Sprachgebrauch wird das System häufig nur noch als GPS bezeichnet. GPS wurde am 17. Juli 1995 offiziell in Betrieb genommen.


Einsatzbereiche

GPS ist ursprünglich zur Positionsbestimmung und Navigation im militärischen Bereich (in Waffensystemen, Kriegsschiffen, Flugzeugen) usw. vorgesehen. Heute wird es jedoch auch im zivilen Bereich genutzt: in der Seefahrt, Luftfahrt, durch Navigationssysteme im Auto, zur Orientierung im Outdoor-Bereich, im Vermessungswesen etc. Ebenso wird GPS nun auch im Leistungssport verwendet. Speziell für den Einsatz in Mobiltelefonen wurde das "Assisted GPS" (A-GPS) entwickelt.

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. Durch die relative Bewegung des Empfängers zu den Satelliten, ergibt sich durch den Doppler-Effekt eine Verschiebung des Signals und da die Geschwindigkeit der Satelliten bekannt ist, lässt sich die Geschwindigkeit des Empfängers berechnen.

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 28 (im Jahre 2005 31) Satelliten in den Orbit gebracht, so das 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 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 wird des Weiteren auch der sogenannte „Almanach“ übertragen, der 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.

Der gesendete C/A-Code ist eine pseudozufällige, 1023 bit lange Kette aus Einsen und Nullen (dargestellt durch Einsen und minus Einsen), die bei jedem Satelliten eindeutig ist. 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.

Geschichte

Das GPS Programm wurde mit der Gründung des JPO (Joint Program Office) im Jahre 1973 auf seine Erfolgsschiene gesetzt. Der erste GPS-Satellit wurde 1978 gestartet. Im Dezember 1993 wurde die anfängliche Funktionsbereitschaft (Initial Operational Capability) festgestellt. Zu diesem Zeitpunkt waren 24 Satelliten im Einsatz. Die volle Funktionsbereitschaft (Full Operational Capability) wurde im April 1995 erreicht.

Um nicht-autorisierte Nutzer (militärische Gegner) von einer genauen Positionsbestimmung auszuschließen, wurde die Genauigkeit für Nutzer, die nicht über einen Schlüssel verfügen, künstlich verschlechtert (Selective Availability = SA, mit einem Fehler von größer 100 m). SA musste in den Block II Satelliten implementiert werden, weil der C/A Dienst deutlich besser war, als ursprünglich erwartet. Es gab aber fast immer vereinzelte Satelliten, bei welchen SA nicht aktiviert war, sodaß genaue Zeitübertragungen möglich waren.

Am 1. Mai 2000 wurde diese künstliche Ungenauigkeit bei allen Satelliten abgeschaltet, so dass das System seitdem auch außerhalb des bisherigen exklusiven Anwendungsbereichs zur präzisen Positionsbestimmung genutzt werden kann. Dies führte unter anderem zum Aufschwung der Navigationssysteme in Fahrzeugen und im Außenbereich, da die Messgenauigkeit nun in mindestens 90 % der Messungen besser als 10 m ist.


Genauigkeit der Positionsbestimmung

Es gibt die folgenden zwei Dienstklassen:

* SPS (Standard Positioning Service) ist für jedermann verfügbar und erreichte ursprünglich eine Genauigkeit von 100 m (in 95% der Messungen). Seit Mai 2000 wurde die künstliche Ungenauigkeit vom US-Militär abgeschaltet, seitdem beträgt die Genauigkeit ca. 15 m.

* PPS (Precise Positioning Service) ist der militärischen Nutzung vorbehalten und ist ursprünglich auf eine Genauigkeit von 22 m (in 95% der Messungen, die aktuelle Genauigkeit ist unbekannt) ausgelegt worden. Diese Signale werden verschlüsselt ausgestrahlt.

Eine Erhöhung der Genauigkeit (0,5 - 5 m) kann durch Einsatz von Differential GPS (DGPS) erreicht werden.

Mit der vierten Ausbaustufe soll die bisherige globale Selective Availablity, die bis zum 1. Mai 2000 durch eine globale künstliche Verschlechterung implementiert war, in Krisen- bzw. Kriegsgebieten durch lokale Störung des Empfangs der auch zivil zugänglichen Signale verwirklicht werden.

Des Weiteren sind einige satellitengestützte Erweiterungssysteme (Satellite-Based Augmentation Systems, SBAS) zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit geplant, EGNOS in Europa und WAAS in den USA.

GPS nutzt eine eigene kontinuierliche Atomzeitskala, welche keine Schaltsekunden berücksichtigt. Seit Einführung von GPS im Jahr 1980 hat sich deshalb die Differenz zwischen der GPS-Zeit und der UTC bis Ende 2004 auf 13 Sekunden aufsummiert. Der aktuelle Wert dieser Differenz wird im Nutzdatensignal des Systems übertragen.

Es gibt die folgenden zwei Verfahren,

Es gibt die folgenden zwei Verfahren, um mittels GPS eine Position zu bestimmen:

* Code: Dieses Verfahren ermöglicht eine recht robuste Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit von kleiner 10 m. Alle preiswerten Empfänger nutzen dieses Verfahren. Mittels DGPS sind Genauigkeiten unter einem Meter möglich.

* Code+Trägerphase: Unter guten Empfangsbedingungen und mit präzisen Empfängern ist mit diesem Verfahren eine Genauigkeit von unter 5 m möglich. Die Genauigkeitssteigerung rührt aber nicht nur vom geringeren Rauschen der Trägerphasenmessung her, sondern auch von der Verwendung der zweiten Frequenz zur Ionosphärenmessung. Soll der mm-Bereich erreicht werden, so ist dies bisher nur im DGPS-Betrieb möglich, weil auch die lokalen Effekte der Troposphäre berücksichtigt werden müssen.

In Fahrzeugen können zusätzlich Odometrie-Daten, wie Geschwindigkeit und Beschleunigung, genutzt werden, um die Position präziser zu bestimmen, oder auch noch in Funklöchern, wie Tunnels, eine Position ermitteln zu können.

Oft wird irrtümlich darauf hingewiesen, dass die Atomuhren in den Satelliten aufgrund von Effekten der Relativitätstheorie einen Gangunterschied zu irdischen Uhren aufweisen, der zu einem Positionsbestimmungsfehler von etwa 10 km pro Tag führen würde, wenn er nicht korrigiert würde. Ein solcher Fehler würde auftreten, wenn die Positionsbestimmung über die Ermittlung der Abstände des GPS-Empfängers zu 3 Satelliten anhand eines Uhrenvergleichs mit einer Uhr im Empfänger erfolgen würde. GPS-Empfänger sind aber selten mit einer Atomuhr ausgestattet. Statt dessen werden die Zeitdifferenzen von Satellitensignalen ausgewertet, wobei mindestens 4 Satelliten erforderlich sind. Da alle Satelliten den gleichen relativistischen Effekten ausgesetzt sind, tritt dieser Fehler jedoch nicht auf. Trotzdem werden die Uhren der Satelliten mehrmals pro Stunde so synchronisiert, dass sie unter Berücksichtigung relativistischer Effekte synchron zu irdischen laufen.


DGPS

Differential Global Positioning System (DGPS) ist eine Bezeichnung für Verfahren, die mehrere GPS-Empfänger zur Erhöhung der Genauigkeit verwenden. Bei dem Verfahren gibt es einen Empfänger, dessen Position bestimmt werden soll (Rover) (deutsche Bezeichnung ist unbekannt) und mindestens einen weiteren Empfänger, dessen Position bekannt ist (GPS-Basisstation). Eine Basisstation kann diverse Informationen über die Ursachen ermitteln, warum die mittels GPS bestimmte Position fehlerhaft ist, da deren Position bekannt ist. Mit diesen Informationen (Korrekturdaten) von einer Basistation kann ein Rover seine Genauigkeit erhöhen. Die erreichbare Genauigkeit ist u.a. vom Abstand zwischen Rover und Basistation abhängig.

Methoden des DGPS:

* Bei dem einfachsten Verfahren übermittelt die Basisstation ihren Positionsfehler an den Rover. Dieser korrigiert entsprechend seine Position. Dies funktioniert nur, wenn beide Empfänger die gleichen Satelliten auswerten (dies ist nur über kurze Distanz und in gleicher Umgebung der Fall).

* Bei der Methode der Pseudorange-Korrektur berechnet die Basisstation die Fehler der Strecken zu den Satelliten und übermittelt diese an den Rover. So ist auch eine Korrektur möglich, wenn von der Basisstation und dem Rover unterschiedliche Satelliten empfangen werden. Es sind Genauigkeiten kleiner 1 m möglich.

* Bei den sehr genauen Phasenmessungen wird folgendes Verfahren angewendet:(?). Auf diese Weise ist eine Genauigkeit von ± 1 bis ± 10 mm pro km Abstand zur Basisstation zu erreichen.

Die Übermittlung der Korrekturdaten von einer Basisstation zum Rover kann mittels Funk erfolgen. Ein Rover ist dann sofort in der Lage, seine Genauigkeit zu erhöhen. Auch im Nachhinein kann eine Korrektur erfolgen, wenn Rover und Basisstation alle Daten zur Positionsbestimmung aufzeichnen (Postprocessing).

Die Korrekturdaten können von einem Anwender selbst erzeugt werden (mittels eines zweiten GPS-Empfängers) oder von div. Anbietern bezogen werden (ALF, AMDS, SAPOS, ascos usw.).

Für die Bundesrepublik Deutschland werden Differential-Stationen von der Wasser- u. Schifffahrtsverwaltung betrieben. Diese Stationen arbeiten nach dem internationalen IALA-Standard und senden Korrekturdaten auf Mittelwelle für den Küsten- und Binnenbereich aus. Zentrale technische Behörde ist die Fachstelle der WSV für Verkehrstechniken in Koblenz.


Störsender

Für das GPS-System existieren sogenannte GPS-Jammer (Jammer = engl. für Störsender).


Alternativen

Transit
Der Vorgänger des GPS von den USA. Sendefrequenz: 150 und 400 MHz - Entwickelt ab 1958; in Betrieb seit 1964; zivile Nutzung ab 1967; seit dem 31. Dezember 1996 außer Betrieb.

GLONASS
russische Pendant zum amerikanischen NAVSTAR-GPS

Euteltracs
Europäisches Positionssystem für Fernverkehr (sehr ungenau). Es sendet mit einer Frequenz von 10-14 GHz. Ist seit 1991 in Betrieb.

Galileo
Die ESA wurde von der EU beauftragt, von der Industrie ein europäisches System zur Satellitennavigation mit dem Namen Galileo entwickeln zu lassen. Die Entwicklungs- und Testphase wurde im Dezember 2004 in einem 4-Jahresvertrag an die Industrie vergeben. Nach Ablauf dieses Vertrages sollen 4 Galileosatelliten im All und der Großteil des Bodensegments installiert sein. Der ursprüngliche Zeitplan sah wie folgt aus: (bis 2005 Entwicklungs- und Testphase, Aufbau des Satellitennetzes ab 2006, Inbetriebnahme ab 2008 - Stand Juli 2004).


Es wird mindestens vier Dienste (OS, CS, SoL, PRS) geben. Die zivile und kostenlose Positionsbestimmung (OS) wird eine Genauigkeit von 5-8 m bereitstellen. Beim SoL-Dienst wird zusätzlich noch Integrität, also die rechtzeitige Warnung des Nutzers, wenn der Positionierungsfehler größer als eine vorgegeben Schranke (12 m horizontal, 20 m vertikal) ist, bereitgestellt. Der PRS-Dienst wird die Bedürfnisse staatlicher Organisationen befriedigen. Im CS-Dienst können noch zusätzlich Informationen mit geringer Datenrate an Abonnenten übertragen werden.

MTSAT
(Multifunction Transport Satellite System) ist die Entwicklung Japans. Es sendet mit einer Frequenz von 1,2 GHz. - noch in der Experimentierphase (Stand 2003)

Beidou
in der Volksrepublik China (Satellite Positioning System) Frequenz: 1,4 GHz - Seit 2004 in Betrieb, allerdings beschränkt sich die Nutzung auf den asiatischen Bereich

Kriminalermittlung


Von der Polizei wird das GPS ebenfalls zur Ermittlung genutzt. Es dient zur Überwachung bestimmter Fahrzeuge und Fahrer. Im April 2005 entschied das Bundesverfassungsgericht, daß der Einsatz des satellitengestützten Systems nicht gegen das Grundgesetz verstoße. Der Zweite Senat wies mit diesem Urteil eine Verfassungsklage eines Ex-Mitglieds der Antiimperialistischen Zellen (AIZ) zurück.

Die Autofahrten des Klägers waren zweieinhalb Monate lang mit Hilfe des GPS heimlich überwacht worden. Der Verurteilte bemängelte, daß die allgemeine Vorschrift zu unbestimmt sei. Die GPS-Überwachung würde besonders intensiv in seine Grundrechte eingreifen, zumal sie mit anderen Überwachungen addiert werde. So sei unter anderem beobachtet worden, wer das GPS-überwachte Auto jeweils gefahren hatte.

Der Zweite Senat kam jedoch zu dem Schluß, daß die Vorschrift ausreichend konkret formuliert sei. Es müsse nicht jede kriminalistische Neuerung im Gesetz berücksichtigt werden. Die GPS-Überwachung berühre auch nicht den unantastbaren Kernbereich privater Lebensführung. Die Richter argumentierten, daß durch die technische GPS-Überwachung sogar tiefergehende Eingriffe wie das Abhören von Gesprächen vermieden werde könne. Der Zweite Senat verlangte jedoch geeignete Maßnahmen, um eine "unzulässige Rundumüberwachung" auszuschließen. Es müsse sichergestellt werden, daß die Staatsanwaltschaft über alles informiert sei und Parallel-Observierungen ausgeschlossen seien. Zudem müsse der Gesetzgeber beobachten, ob angesichts neuer technischer Entwicklungen die Vorkehrungen noch ausreichten, um unkoordinierte Ermittlungsmaßnahmen verschiedener Behörden zu verhindern.

Reaktionen zu dem Urteil:

* "Die Richter haben sichergestellt, daß auch Ermittler die neueste Technik einsetzen können! Die rechtsstaatlichen Standards sind selbstverständlich in jedem Einzelfall strikt einzuhalten, in den unantastbaren Kernbereich privater Lebensgestaltung darf in keinem Fall eingegriffen werden!" (Staatssekretär Hansjörg Geiger)

* "Derartige Informationen benötigt die Polizei, um Verdächtige und ihre Bewegungen genau orten zu können. Damit hat das Bundesverfassungsgericht ein für die polizeiliche Ermittlungspraxis bedeutsames Instrument bestätigt und die Nutzung modernster technischer Methoden für die Kriminalitätsbekämpfung abgesichert!" (Innenminister Otto Schily)

Die Polizeigewerkschaft wertete das Urteil als einen "erfreulich praxisnahen Richterspruch".

Nach Angaben des bayerischen Innenministers Günther Beckstein konnten durch GPS-Überwachung mehrfach Aufklärungserfolge insbesondere bei osteuropäischen Einbrecherbanden und im Bereich des Drogenhandels erzielt werden. So sei Anfang 2004 ein 40jähriger Deutscher bei der Rückfahrt von einer Rauschgiftbeschaffungsaktion auf der Autobahn Nürnberg-München festgenommen worden; im Fahrzeug befanden sich 1 Kilo Kokain, 7 Kilo Haschisch und 10 Kilo Marihuana.


GPS in der Praxis

Handelsübliche zivile GPS-Geräte für Verbraucher eigenen sich vor allem für den Einsatz im Auto und im "Outdoor"-Bereich. Handelsübliche GPS-Emfänger (GPS-Mäuse) verwenden meist das NMEA-Datenformat zur Ausgabe der Positionsdaten.


Im Auto

Hier handelt es sich um GPS-Geräte, die mit umfangreicher Landkarten- und Stadtplan-Software ausgestattet sind. Sie ermöglichen meist akustische Richtungsanweisungen an den Fahrer, der zu Beginn der Fahrt bloß den Zielort (z.B. Straßenname) einzugeben braucht.


Im "Outdoor"-Bereich

GPS-Geräte eignen sich auch zum Einsatz am Fahrrad, beim Wandern (z.B. als kompaktes Gerät am Handgelenk) oder auf einem Boot. Der Funktionsumfang der im Handel erhältlichen Geräte richtet sich nach Anwendungsbereich und Preis. Schon einfache Geräte können heute nicht bloß die Längen- und Breitengrade anzeigen, sondern auch Richtungsangaben machen, Entfernungen berechnen und die aktuelle Geschwindigkeit angeben. Die Anzeige kann so eingestellt werden, dass ein Kompasssymbol ausgegeben wird, das nicht nach Norden, sondern in die Richtung zeigt, die vom Benutzer durch die Eingabe der Zielkoordinaten (Waypoint) angegeben worden ist. GPS-Geräte stellen hier eine Weiterentwicklung der klassischen Navigation mit Bussole (Kompass) und Karte dar. Hochwertige, moderne Geräte können neben Wegpunkten, Routen und Track Logs auch digitale Karten speichern und damit den aktuellen Standort auf einer Karte darstellen. Für den Outdoor-Bereich liegen für verschiedene Länder Topografische Karten im Maßstab 1:25000 zur Nutzung mit dem GPS vor.

Wenngleich die "Outdoor"-GPS-Geräte dafür nicht primär gedacht sind, können selbst kleine Armbandgeräte in Autos oder in der Bahn (Fensterplatz) verwendet werden; der Empfang in Gebäuden ist jedoch mit diesen Geräten gewöhnlich nicht möglich.

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