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Navigationssystem Lexikon

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GPS

Global Positioning System, satellitengestuetztes System zur weltweiten Positionsbestimmung.
Das Global Positioning System, auch Globales Positionssystem (GPS) ist ein satellitengestuetztes Navigationssystem des US-Verteidigungsministeriums zur weltweiten Positionsbestimmung. Das GPS-Satellitensystem loest das alte Satellitennavigationssystem Transit der United States Navy ab, ebenso die Vela-Satelliten zur Ortung von Atombombenexplosionen.
Die offizielle Bezeichnung ist „Navigational Satellite Timing and Ranging - Global Positioning System“ (NAVSTAR-GPS). NAVSTAR wird manchmal auch als Abkürzung für „Navigation System using Timing and Ranging“ genutzt. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird das System haeufig nur noch als GPS bezeichnet. GPS wurde am 17. Juli 1995 offiziell in Betrieb genommen.

GPS ist ursprünglich zur Positionsbestimmung und Navigation im militaerischen Bereich (in Waffensystemen, Kriegsschiffen, Flugzeugen) usw. vorgesehen. Heute wird es jedoch hauptsaechlich im zivilen Bereich genutzt: in der Seefahrt, Luftfahrt, durch Navigationssysteme im Auto, zur Orientierung im Outdoor-Bereich, im Vermessungswesen etc. In der Landwirtschaft wird es beim so genannten Precision Farming zur Positionsbestimmung der Maschinen auf dem Acker genutzt. Ebenso wird GPS nun auch im Leistungssport verwendet. Speziell für den Einsatz in Mobiltelefonen wurde das Assisted GPS (A-GPS) entwickelt.

Aufbau und Funktionsweise der Ortungsfunktion

GPS basiert auf Satelliten, die ständig Signale ausstrahlen, aus deren Signallaufzeit GPS-Empfaenger ihre Position bestimmen können. Theoretisch reichen dazu die Signale aus drei Satelliten, welche sich oberhalb ihres Abschaltwinkels befinden müssen, da daraus die genaue Position und Hoehe bestimmt werden kann. In der Praxis haben aber GPS-Empfaenger keine Uhr, die genau genug ist, um die Laufzeiten korrekt berechnen zu können. Deshalb wird das Signal eines vierten Satelliten benoetigt.

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

Damit ein GPS-Empfaenger immer zu mindestens vier Satelliten Kontakt hat, werden insgesamt mindestens 24 Satelliten eingesetzt, die die Erde jeden Sternentag zweimal in einer Hoehe von 20.183 km umkreisen. Jeweils mindestens vier Satelliten bewegen sich dabei auf jeweils einer der 6 Bahnebenen, die 55° gegen die aequatorebene inkliniert (geneigt) sind und gegeneinander um jeweils 60° verdreht sind. Ein Satellit ist damit alle 23 Stunden 55 Min und 56,6 Sekunden über dem gleichen Punkt der Erde.

Ein Satellit hat eine erwartete Lebensdauer von 7,5 Jahren, doch funktionieren die Satelliten haeufig deutlich laenger. Um Ausfaelle 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 benoetigt man 60 Tage für das Austauschen eines Satelliten; aus Kostengruenden versucht man diesen Zeitraum auf 10 Tage zu senken und somit die Satellitenanzahl auf 25 zu reduzieren.

Das Datensignal, mit einer Datenrate von 50 bit/s und einer Rahmenperiode von 30 s, wird parallel mittels Spread Spectrum Verfahren auf zwei Frequenzen ausgesendet:

Auf der so genannten L1-Frequenz (1575,42 MHz) wird mittels C/A-Code („Coarse/Acquisition“) für die zivile Nutzung, und orthogonal dazu der nicht oeffentlich bekannte P/Y-Code („Precision/encrypted“) für die militaerische Nutzung eingesetzt. Das uebertragene Datensignal ist bei beiden Codefolgen ident und stellt die 1500 Bit lange Navigationsnachricht dar. Sie enthaelt alle wichtigen Informationen zum Satelliten, Datum, Identifikationsnummer, Korrekturen, Bahnen, aber auch den Zustand, und benoetigt zur uebertragung eine halbe Minute. GPS-Empfaenger speichern diese Daten normalerweise zwischen. Zur Initialisierung der Geraete werden des Weiteren auch die so genannten Almanach-Daten übertragen, die die groben Bahndaten aller Satelliten enthalten und zur uebertragung über zwoelf Minuten benoetigen.

Die zweite Frequenz L2-Frequenz (1227,60 MHz) uebertraegt nur den P/Y-Code. Wahlweise kann auf der zweiten Frequenz auch der C/A-Code übertragen werden. Durch die uebertragung auf zwei Frequenzen können ionosphaerische Effekte, die zur Erhöhung der Laufzeit führen, herausgerechnet werden, was die Genauigkeit steigert.

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.

C/A-Code

Der für die Modulation des Datensignals im zivilen Bereich eingesetzte C/A-Code ist eine so genannte pseudozufaellige Gold-Folge mit einer Laenge von 1023 Chips. Die Sendebits einer Codefolge werden bei Spread Spectrum Modulationen als so genannte "Chips" bezeichnet und tragen keine Nutzdateninformation sondern dienen nur zum Empfang mittels Kreuzkorrelation. Diese 1023 Chips lange Folge hat eine Periodenlaenge von 1 ms und die Chips-Rate beträgt 1,023 Mcps. Die beiden Codegeneratoren für die Gold-Folge bestehen aus jeweils 10 Bit langen Schieberegistern und sind vergleichbar mit linear rueckgekoppelten Schieberegistern, wenngleich sie für sich einzeln nicht die maximale Folge ergeben. Die beim C/A-Code eingesetzten Generatorpolynome G1 und G2 lauten:

G1 = 1 + x3 + x10

G2 = 1 + x2 + x3 + x6 + x8 + x9 + x10

Die entgueltige Gold-Folge (C/A-Codefolge) wird durch Phasenverschiebung zwischen den beiden Generatoren erreicht. Die Phasenverschiebung wird bei jedem GPS-Satelliten unterschiedlich gewaehlt, so dass die dabei entstehenden Sendefolgen (Chips-Signalfolgen) orthogonal zueinander stehen - damit ist ein unabhaengiger Empfang der einzelnen Satellitensignale möglich, obwohl alle GPS-Satelliten auf den gleichen Nominalfrequenzen L1 und L2 senden. (so genanntes Codemultiplexverfahren.)

Da die Datenrate der damit uebertragenen Nutzdaten 50 bit/s beträgt und ein Nutzdatenbit genau 20 ms lang ist, wird ein einzelnes Nutzdatenbit durch 20 malige Wiederholung einer Gold-Folge übertragen.

Der zuschaltbare kuenstliche Fehler (Selective Availability) wird bei dem C/A-Code dadurch erreicht, dass die zeitliche Ausrichtung (Taktsignal) der Chips einer geringen zeitlichen Schwankung (Jitter) unterworfen wird.

P/Y-Code

Der laengere und nicht oeffentlich zugaengliche P/Y-Code verwendet als Codegenerator so genannte JPL-Folgen. Er wird aus vier linearen Schieberegistern (LFSR) der Laenge 10 gebildet. Zwei davon bilden den so genannten X1-Code, die anderen beiden den X2-Code. Die X1-Code wird mit den X2-Code über XOR-Verknuepfungen so kombiniert, dass in Summe 37 verschiedene Phasenverschiebungen 27 verschiedene Wochensegmente des P/Y-Codes ergeben. Die Laengen sind bei diesem Code wesentlich laenger als wie beim C/A-Code. So liefert der X1-Codegenerator eine Laenge 15.345.000 Chips und X2 eine Codefolge die exakt um 37 Chips laenger ist. Die Dauer bis sich der P/Y-Code wiederholt ergibt sich daraus zu ca. 266 Tage (38 Wochen). Der P/Y-Code wird mit einer Chiprate von 10,23 Mcps gesendet, das entspricht der zehnfachen Chiprate des C/A-Codes. Er benoetigt daher ein breiteres Frequenzspektrum als der C/A-Code.

Zur Unterscheidung der einzelnen GPS-Satelliten im P/Y-Code wird die sehr lange Codefolge von rund 38 Wochen Dauer in einzelne Wochensegmente aufgeteilt. Jeder GPS-Satellit hat einen genau eine Woche lang dauernden Codeabschnitt zugewiesen, und am Anfang jeder Woche (Sonntag 00:00 Uhr) werden alle P-Codegeneratoren wieder auf den Startwert zurueckgesetzt. Damit wiederholt sich pro GPS-Satellit der P/Y-Code einmal pro Woche. 5 Wochensegmente des in Summe 38 Wochen langen P-Codes benoetigen die Bodenstationen für Steueraufgaben, 32 Wochensegmente sind für die Unterscheidung der einzelnen GPS-Satelliten vorgesehen.

Der C/A-Code dient dabei auch zur Umschaltung (so genanntes Hand Over) auf den P/Y-Code. Da die P-Codefolge pro GPS-Satellit eine Woche umfasst waere das direkte Synchronisieren des Empfaengers auf die P-Codefolge ohne Kenntnis der genauen Uhrzeit praktisch unmoeglich. GPS-Empfaenger welche den P/Y-Code verwenden synchronisieren sich zuerst auf den C/A-Code, gewinnen aus den uebertragenen Daten die notwendige Umschaltinformationen wie Uhrzeit, Wochentag und andere Informationen, stellen damit ihre P-Codegeneratoren entsprechend ein und schalten dann auf den Empfang des P/Y-Code um.

Die genauen Generatorpolynome der verwendeten JPL-Codefolge sind nicht oeffentlich bekannt. Die Paramter der Navigationsdaten (Nutzdaten, Rahmenaufbau, Bitrate) welche mittels P/Y-Code übertragen werden sind allerdings exakt gleich zu den Daten welche mittels der oeffentlich bekannten C/A-Codefolge übertragen werden. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass der Takt der P/Y-Codefolge im Satelliten grundsaetzlich keinen kuenstlichen Taktfehler unterworfen wird und der P-Code auch die 10-fache Taktrate zum C/A-Code aufweist. Damit können P/Y-Empfaenger die für die Positionsbestimmung wesentliche Information der uebertragungszeiten genauer gewinnen.

Ausbreitungseigenschaften

In den verwendeten Frequenzbereichen breitet sich die elektromagnetische Strahlung aehnlich wie sichtbares Licht fast geradlinig aus und wird dabei durch das Wetter (Bewoelkung, 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 Gebaeuden, Tunneln, Tiefgaragen etc. war ein GPS-Empfang bis vor kurzem nicht möglich. Neue Empfaengertechnologien ermoeglichen jedoch nun auch Anwendungen in Gebaeuden. Auch zwischen hohen Gebaeuden kann es durch mehrfach reflektierte Signale (Mehrwege-Effekt) zu Ungenauigkeiten kommen. Zudem ergeben sich z. T. große Ungenauigkeiten bei unguenstigen Satellitenkonstellationen, z. B. wenn nur drei dicht beieinander stehende Satelliten aus einer Richtung zur Positionsberechnung zur Verfuegung stehen. Fuer eine genaue Positionsermittlung sollten moeglichst Satellitensignale aus verschiedenen Himmelsrichtungen empfangbar sein.

Fuer die zentrale Kontrolle des GPS ist die 50th Space Wing des Air Force Space Command (AFSPC) der US Air Force auf der Schriever AFB, Colorado zustaendig.

Weitere Aufgaben

Die GPS-Satelliten sind Teil des US-Programms Nuclear Detection System (NDS), frueher Integrated Operational Nuclear Detection System (IONDS) genannt, eingebunden in das Verteidigungsprogramm DSP (en:Defense Support Program). Sie verfuegen über Sensoren, für Infrarot- und Gammastrahlung (s. a. en:Bhangmeter), ebenso Detektoren für EMP. Damit sollen sie Atombombenexplosionen und Starts von Interkontinentalraketen mit einer Ortsaufloesung von 100m registrieren.

Eine weitere Aufgabe des GPS Systems besteht in der Bereitstellung eines einheitlichen Zeitsystems. Die Uhren der Satelliten werden mehrmals taeglich auf GPS-Zeit synchronsiert. Die von einem GPS-Empfaenger empfangene Zeit ist zunaechst die GPS-Zeit. In der Satellitennachricht ist aber auch die Abweichung zwischen GPS-Zeit und Koordinierter Weltzeit (UTC) angegeben. Mit der Genauigkeit der GPS-Zeit und der Angabe der Abweichung garantiert das System eine Abweichung von UTC um maximal eine Mikrosekunde, wenn die Laufzeit auch so genau bestimmt wird.

Geschichte

Das GPS-Programm wurde mit der Gruendung des JPO (Joint Program Office) im Jahre 1973 gestartet. Der erste GPS-Satellit wurde 1978 gestartet. Im Dezember 1993 wurde die anfaengliche Funktionsbereitschaft (Initial Operational Capability) festgestellt. Zu diesem Zeitpunkt waren 24 Satelliten im Einsatz. Die volle Funktionsbereitschaft (Full Operational Capability) wurde im April 1995 erreicht und am 17. Juli 1995 bekanntgegeben.

Um nicht-autorisierte Nutzer (militaerische Gegner) von einer genauen Positionsbestimmung auszuschließen, wurde die Genauigkeit für Nutzer, die nicht über einen Schüssel verfuegen, kuenstlich verschlechtert (Selective Availability = SA, mit einem Fehler von groeßer 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 Zeituebertragungen möglich waren.

Am 1. Mai 2000 wurde diese kuenstliche Ungenauigkeit bei allen Satelliten abgeschaltet, sodass das System seitdem auch außerhalb des bisherigen exklusiven Anwendungsbereichs zur praezisen Positionsbestimmung genutzt werden kann. Dies fuehrte unter anderem zum Aufschwung der Navigationssysteme in Fahrzeugen und im Außenbereich, da der Messfehler nun in mindestens 90 % der Messungen geringer als 10 m ist.

Am 25. September 2005 brachte eine Delta-II-Rakete den ersten GPS-Satelliten der Baureihe GPS 2R-M (Modernized) in den Weltraum. Die Antenne wurde verbessert und das Sendespektrum um eine zweite zivile Frequenz und zwei neue militaerische Signale erweitert. Seit Dezember im Einsatz erweitert der neue Satellit die Flotte der funktionstuechtigen Satelliten auf 28 (Stand Januar 2006).