Ein Global Positioning System, auch Globales Positionsbestimmungssystem (GPS) ist jedes weltweite, satellitengestützte Navigationssystem.

Einsatzbereiche

GPS war ursprünglich zur Positionsbestimmung und Navigation im militärischen Bereich (in Waffensystemen, Kriegsschiffen, Flugzeugen) usw. vorgesehen. Heute wird es jedoch vermehrt auch 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

Das Prinzip der Satellitenortung beschreibt der Artikel Global Navigation Satellite System.

GPS basiert auf Satelliten, die ständig ihre sich ändernde Position und die genaue Uhrzeit ausstrahlen. Aus deren Signallaufzeit können GPS-Empfänger dann ihre eigene Position und Geschwindigkeit berechnen. Theoretisch reichen dazu die Signale von drei Satelliten aus, welche sich oberhalb ihres Abschaltwinkels befinden müssen, da daraus die genaue Position und Höhe bestimmt werden kann. In der Praxis haben aber GPS-Empfänger keine Uhr, die genau genug ist, um die Laufzeiten korrekt messen zu können. Deshalb wird das Signal eines vierten Satelliten benötigt, mit dem dann auch die genaue Zeit im Empfänger bestimmt werden kann.

Mit den GPS-Signalen lässt sich aber nicht nur die Position, sondern auch die Geschwindigkeit des Empfängers bestimmen. Dieses erfolgt im allgemeinen über Messung des Dopplereffektes oder die numerische Differenzierung des Ortes nach der 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 20.183 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 ist damit alle 23 Stunden 55 Min und 56,6 Sekunden über dem selben Punkt der Erde.

 GPS in der Praxis

Größter Nutznießer des GPS ist die zivile Luftfahrt. Alle modernen Navigationssysteme sind GPS-gestützt. Theoretisch, vorbehaltlich der Zulassung, erlauben die Genauigkeiten (P/Y-Signal) sogar automatische Landungen, sofern die Mittellinen der Landbahnen vorher genau vermessen wurden, d. h. die Koordinaten bekannt sind und zusätzlich DGPS eingesetzt wird. Einige UAV, wie EuroHawk benutzen dieses Verfahren.

Ein weiteres verbreitetes Einsatzgebiet ist das Flottenmanagement von Verkehrsbetrieben und des Transportwesens zu Land und auf Wasser/See. Wenn die Fahrzeuge mit GPS und einem Transponder ausgerüstet sind, hat die Zentrale jederzeit einen Überblick über den Standort der Fahrzeuge und kann bei Störungen sofort eingreifen.

Auch die modernen Ausführungen der Elektronischen Fußfessel sind mit GPS ausgerüstet.

Handelsübliche zivile GPS-Geräte für Verbraucher eignen sich vor allem für den Einsatz im Auto und im „Outdoor“-Bereich. Handelsübliche GPS-Empfänger (GPS-Mäuse) verwenden meist das NMEA 0183-Datenformat zur Ausgabe der Positionsdaten.

Den großen Unterschied macht jedoch heute in miteinander vergleichbaren Systemen weniger die Technik, sondern vielmehr das jeweilige Navigationsprogramm. So gibt es derzeit von Programm zu Programm noch durchaus Unterschiede in der Routenführung.

2006 entdeckte Alessandro Cerruti von der amerikanischen Cornell University, dass GPS durch Sonneneruptionen gestört werden kann. In den vergangenen Jahren waren diese – und die damit verbundenen geomagnetischen Stürme – wenig ausgeprägt, sie sollen jedoch bis 2011 wieder zunehmen.

Auch kann der GPS-Empfang durch starke Schneefälle gestört werden. Sonstige Wetterverhältnisse, wie Regen und Nebel, beeinträchtigen den Empfang normalerweise jedoch nicht — allerdings ist der Empfang unter regennassem Laub im Wald deutlich schlechter als bei trockener Witterung.

Zu den Herstellern zählen Garmin, Magellan, TomTom, HAiCOM, Globalsat und RoyalTec.

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 zum Beispiel am Beginn der Fahrt bloß den Zielort (z. B. Straßenname) einzugeben braucht. Im Auto wird bei Festeinbauten ab Werk (siehe Head Unit) unterschieden zwischen Systemen, die Sprachausgabe mit Richtungsangaben auf einem LCD (meist im Autoradioschacht) kombinieren, sowie Sprachausgabe mit farbiger Landkartendarstellung, bei welcher der Fahrer besser räumlich sieht, wo er unterwegs ist.

In letzter Zeit haben PDA-, Smartphone- und PNA-Systeme starken Zuwachs erhalten. Sie können flexibel in verschiedenen Fahrzeugen schnell eingesetzt werden. Meist wird die Routenführung grafisch auf einem Farbbildschirm mit Touchscreen dargestellt. Auch ist die Verbreitung durch ständig fallende Preise der Elektronikhändler und Lebensmitteldiscounter zu erklären.

Bei den meisten Festeinbauten ab Werk sowie den neuesten PDA- und PNA-Lösungen werden Verkehrsmeldungen des TMC-Systems, wonach der Fahrer automatisch an Staus oder Behinderungen vorbei dirigiert werden soll, auch mit berücksichtigt.

Festeingebaute Systeme sind in der Regel zwar erheblich teurer als mobile Geräte in Form von z. B. PDAs, haben jedoch den Vorteil, dass sie mit der Fahrzeugelektronik gekoppelt sind und zusätzlich Odometrie-Daten wie Geschwindigkeit und Beschleunigung verwenden, um die Position präziser zu bestimmen und auch noch in Funklöchern wie z. B. Tunneln eine Position ermitteln zu können.

Der Vorteil der stark zunehmenden Navigation in Autos liegt darin, dass der Fahrer sich ganz auf den Verkehr konzentrieren kann, es ist ein Komfortmerkmal für den Fahrer, navigiert zu werden. Auch kann ca. 1–3 % Treibstoffverbrauch eingespart werden, wenn alle Fahrzeuge den optimalen Weg wählen würden.

Es darf jedoch auch nicht unerwähnt bleiben, dass vor allem Geräte mit graphischer Anzeige dazu neigen, den Fahrer abzulenken und es daher vermehrt zu Unfällen aufgrund von Unachtsamkeit gekommen ist.

GPS kann auch zur Diebstahlsicherung genutzt werden. Hierzu wird die GPS-Anlage z. B. des Fahrzeuges mit einem GSM-Modul kombiniert. Das Gerät sendet dann, im Falle eines Fahrzeugdiebstahls, die genauen Koordinaten an einen Dienstleister. In Verbindung mit einem PC kann dann z. B. über das Internet sofort die entsprechende Straße und der Ort abgelesen und die Polizei alarmiert werden.

Draußen

GPS-Geräte eignen sich auch zum Einsatz am Fahrrad, beim Wandern (zum Beispiel als kompaktes Gerät am Handgelenk) oder im Flugzeug oder neuerdings auch beim Fotografieren (Fotoverortung). 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 (Wegpunkt) angegeben worden ist. GPS-Geräte stellen hier eine Weiterentwicklung der klassischen Navigation mit Kompass und Karte dar. Diese Funktion verwendet man zum größten Teil bei der Schatzsuche per GPS (Geocaching). 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 Außenbereich liegen für verschiedene Länder Topografische Karten im Maßstab 1:25.000 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.

In der Seefahrt 

Es gibt eine breite Angebotspalette an GPS-Geräten, die speziell für die Anforderungen der Seefahrt zugeschnitten sind, von kleinen Handgeräten über PC- und PDA-Programme, die mit GPS-Empfängern arbeiten, bis zu Einbauanlagen für die Großschifffahrt. Für die Zwecke der Seenavigation bestimmte Geräte verfügen dabei in der Regel über eine Kartenanzeige ("Moving Map") mit speziellen, elektronischen Seekarten in verschiedenen, nur begrenzt standardisierten Formaten. Viele der Geräte sind wassergeschützt ausgelegt; anspruchsvollere ermöglichen auch die Kompositdarstellung der Seekarten mit weiteren Daten wie Wetterkarten oder Radardarstellungen.

 In Gebäuden 

In Gebäuden ist der GPS-Empfang generell reduziert bis unmöglich. Im konkreten Fall hängt es neben den verwendeten Baustoffen im Gebäude und deren Dämpfungsverhalten auch vom Standort innerhalb eines Gebäudes ab. In Fensternähe bzw. in Räumen mit großen Fenstern und freier Sicht auf den Himmel kann je nach momentaner Satellitenposition durchaus noch eine Standortbestimmung mit reduzierter Genauigkeit möglich sein. In Innenräumen, wie Kellern, ist der GPS-Empfang praktisch immer unmöglich.

Mit neueren Empfänger-Chipsätzen der Firma SiRF (etwa SiRFstar III) oder der Firma u-blox (z.B. ANTARIS 4 oder u-blox 5) ist in manchen Situationen wie in Gebäuden ein GPS-Empfang durch in Hardware massiv parallelisierte Korrelationsempfänger möglich. Statt wie bei herkömmlichen GPS-Empfängern die Korrelationen der Codefolgen (CDMA) zeitlich hintereinander durchzuprobieren und sich nur auf einen Empfangsweg festlegen zu können, werden bei diesen Chipsätzen 204.800 Korrelationsempfänger (SiRFstar III) parallel eingesetzt und zeitgleich ausgewertet. Damit kann der Mehrwegeempfang reduziert werden und in Kombination mit einer gesteigerten Eingangsempfindlichkeit des HF-Eingangsteils können die an Wänden oder Böden reflektierten GPS-Funksignale unter Umständen auch im Inneren von Gebäuden oder engen Gassen in dicht verbauten Gebieten noch ausgewertet werden. Allerdings ist bei indirektem Empfang von GPS-Signalen über Reflexionen eine Reduktion der Genauigkeit verbunden, da das Signal dann eine längere Laufzeit aufweist und die genauen zeitlichen Bezüge nicht mehr passen. Der zusätzliche Fehler über Mehrwegeempfang kann über einige 10 m betragen. Ähnliche Techniken kommen auch im Atmel/u-blox ANTARIS 4 Chipsatz zum Einsatz.