Das GPS (Global Positioning System) ist ein satellitenbasiertes Positionsbestimmungs System. Dabei Umkreisen 24 Sateliten in ca. 20.500km Höhe den Globus (es sind also von jedem Punkt der Erde aus maximal 12 zu sehen, weshalb die besseren GPS Empfänger mittlerweile 12 parallele Empfangskanäle ausweisen). Alle 24 sind mit äusserst präzisen Zeitbasen ausgestattet und funken stets ihre exakte Position und ein Zeitsignal.
Der Empfänger braucht nun mindestens drei dieser Signale (er muss also mindestens drei Satelliten gleichzeitig "sehen" können) um nun mittels der Laufzeit der einzelnen Signale (also der Zeitdifferenz zwischen den 3 Signalen) den Abstand zu den drei Satelliten zu bestimmen. Zusammen mit diesen Abständen und der gleichzeitig mitgesendeten exakten Position drei Satelliten, kann nun im Wesentlichen mittels Triangulation die Position des Empfängers bestimmt werden. Unschwer zu erkennen, dass hierzu einiges an Rechenleistung benötigt wird, zumal das eigentliche, recht schwache elektromagnetische Signal mit blossem Auge nicht vom natürlichen Hintergrundrauschen unterschieden werden könnte und daher alleine zur Ermittlung der Signale selbst schon ein erheblicher Aufwand gediegen werden muss.
Das GPS System wird vom US-Ameriknaischen Verteidigungsministerium Betrieben. Dementsprechend existieren zwei verschiedene Genauigkeitsstufen:
- militärisch: Genauigkeit von 3m bis 5m Radius
(P-Cpde (Precission Code))- zivil: Genauigkeit von 15m Radius
(PRN-Code (Pseudo Random Noise), oder auch C/A-Code (Coarse/Accquisition Code))- zivil 2: Genauigkeit von 50m Radius
(S/A (Selective Availability) wurde aber im Mai 2000 abgeschaltet)Vor Mai 2000 war diese zivile Genauigkeit zudem noch mittels eines statistischen Störsignals künstlich auf 50 m Radius eingeschränkt (S/A, Selective Availablility, 95% der Zeit lag dabei das empfangene Signal in einem Radius von 100m, 5% der Zeit in einem Radius von 300m).
Dieses Störsignal kann prinzipiell jederzeit wieder vom amerikanischen Militär bei bedarf (z.B. Krisensituation) hinzugeschaltet werden. Zudem können gezielt einzelne Satelliten für gewisse Zeiten abgeschaltet werden um so die GPS-Navigation in einem eingeschränkten Gebiet unmöglich zu machen.
Im Zweiten Golfkrieg wurden hingegen die Satelliten auf das Kriegsgebiet konzentriert (also die Umlaufbahnen der Satelliten im eingeschränkten rahmen so verändert, dass das Krisengebiet überdurchschnittlich gut von den Satelliten abgedeckt wird, um so eine Navigation in diesem Gebiet zu verbessern; naturgemäss verschlechtert sich die Genauigkeit in allen anderen Gebieten der Erde daher ein wenig, jedoch nicht drastisch)Analog verhält sich die Messgenauigkeit der Höhenbestimmung (Meter über NN). Messprinzipbeding ist diese allerdings schlechter als die Positionsbestimmung und liegt heute bei etwa +/-30m. Für die Höhenbestimmung wird allerdings mindestens ein Satellit mehr benötigt (also mind. vier), um den weiteren Freiheitsgrad bestimmen zu können. Werden mehr als 4 Satelliten zur Berechnung genutzt, so kann die Genauigkeit der Höhenbestimmung nochmals verbessert werden, so dass Abweichungen zwischen +/-5m und 15m möglich sind.
Abgesehen von den Verschiedenen systembedingten Genauigkeitseinschränkungen existieren noch einige weitere, die im Wesentlichen auf die geeignet Signalstärke des von den Satelliten ausgesendeten Signals zurückzuführen sind. Dementsprechend treten Empfangsprobleme in folgenden Situationen auf:
- innerhalb von Gebäuden besteht meist Kein Empfang
- unter dicht belaubten Bäumen
- in tiefen Häuserschluchten
Kurz gesagt: der Empfänger kann nur die Satelliten empfangen zu denen er auch "freie Sicht" hat. Sind absorbierende Objekte im Weg (Wände, dichtes Laub usw.) kann der Satellit nicht empfangen werden. Dementsprechend kann der GPS Empfänger nur bei sehr ebenen Gebiet auch alle 12 theoretisch möglichen Satelliten empfangen.
Um die vom Militär eingeschränkten soweit die prinzipbedingten Ungenauigkeiten zu minimieren wurden im Laufe der Jahre eine Reihe von korrekturverfahren entwickelt. Diese basieren auf eine Reihe von exakt vermessenen Positionen, an denen die tatsächlichen Fehler des GPS Systems (wie Fehler der Satellitenuhren und Abweichungen in den Satellitenbahnen) bestimmt werden. Auf diesen Daten werden dann Korrekturparameter berechnet und regional ausgestrahlt.
Auf diese Weise anstanden eine Reihe von Zusatzdiensten wie:
- DGPS (Differential GPS):
in den 90ern als auf UKW und Langwelle- WAAS (Wide Area Augmentaion System, USA):
- EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System, EU):
Satellitenbasierte Ausstrahlung im Europäischen Raum, z.B. via EutelsatFür all diese Systeme werden spezielle Empfänger benötigt, die zusätzlich zu den eigentlichen GPS Daten auch die Korrekturdaten empfangen können.
Die neuste Generation der Garmin Geräte verfügt beispielsweise über diese Funktionalität. Nachdem aber ein entsprechendes Messstationsnetz und ein zusätzlicher Ausstrahlungskanal benötigt wird, sind diese Dienste auf die Regionen USA und EU eingeschränkt.
Um vom US-Amerikansichen GPS System unabhängig zu werden plant die EU bis ende 2008 ein eigenes GPS namens Galileo zu installieren. Galileo wird dabei 30 Staelliten einsetzten und so ein weltweites ziviles Pendant zum bereits bestehenden amerikanischen GPS-System werden.
