Das GPS-System ist ein weltumspannendes US-amerikanisches Satelliten-Navigationssystem zur hochgenauen Ortung, Navigation und Zeitbestimmung. Das Global Positioning System (GPS), der eigentliche Name ist NAVSTAR, arbeitete seit Beginn mit 24 umlaufenden Satelliten (21 Betriebs- und 3 Ersatzsatelliten) auf sechs verschiedenen Umlaufbahnen in 20.180 km Höhe. Die Umlaufgeschwindigkeit beträgt 3,9 km/s oder 11 Stunde und 58 Minuten für eine Erdumkreisung. Inzwischen sind 29 GPS-Satelliten aktiv. Die Umlaufbahnen sind oberhalb der MEO-Satelliten positioniert, und zwar so, dass an allen Punkten der Erdoberfläche gleichzeitig vier Satelliten empfangen werden können
Ausgestattet sind die GPS-Satelliten mit mehreren Cäsium-Normalen oder Rubidium-Normalen, die eine konstante Zeit mit einer Langzeitkonstanz von `10^-13` erzeugen. Aus der Grundfrequenz der Atomfrequenznormale von 10,23 MHz werden alle benötigten Frequenzen abgeleitet. Neben den hochpräzisen Zeitsignalen sendet jeder Satellit einen typischen Erkennungscode und seine Umlaufdaten.
Übertragungstechniken von GPS
Die beiden Sender der GPS-Satelliten arbeiten in Spreizbandtechnologie und senden auf den GPS-Frequenzen von 1,57542 GHz und 1,2276 GHz. Die Sendeleistung der GPS-Satelliten beträgt lediglich 50 W, was ursächlich für die geringe Datenrate von 50 bit/s verantwortlich ist. Die GPS- Signale werden in Phasenmodulation moduliert.
Die GPS-Positionsbestimmung kann mit zwei GPS-Satelliten erfolgen, wenn es sich um Ortungen auf Meereshöhe handelt. Wenn bei der Ortung allerdings auch die Höhenangabe berücksichtigt wird, werden die GPS-Frames von mindestens drei GPS-Satelliten benötigt.
Die Ortungsgenauigkeit von GPS
Die Positionsgenauigkeit ist abhängig vom geschalteten Service ab und vom Abweichungsfehler, der durch die Satellitenstellungen und die Störeinflüsse durch die Ionosphäre bedingt ist. Die Verschlechterung der Genauigkeit wird als Dilution of Precision ( DOP) bezeichnet. Es gibt zwei Auflösungsservices: den Precision Positioning Service ( PPS) für autorisierte Institutionen, vorwiegend US-Militär, und den Standard Positioning Service ( SPS) für die zivile Nutzung. Die Genauigkeit liegt nach der Aufhebung der Selective Availability ( SA) im Jahre 2000 für zivile Nutzung bei etwa +/-15 m, vorher lag sie bei etwa 100 m, bei militärischen Anwendungen unter Benutzung des Precision Encrypted Codes (P/Y- Code) liegt sie unterhalb von einem Meter. Die Höhengenauigkeit liegt für private Nutzung bei 20 m und die Zeitgenauigkeit bei ca. 60 ns.
Verfahren zur Verbesserung der Ortungsgenauigkeit
Es gibt verschiedene Verfahren mit denen die Genauigkeit des GPS-Systems für zivile Nutzung erhöht werden kann. Zu diesen Systemen, die man SBAS- Systeme nennt, für Satellite Based Augmentation System (SBAS), und die mit Korrektursignalen arbeiten, gehören Wide Area Augmentation System ( WAAS), European Geostationary Overlay Service ( EGNOS) und Multi-Functional Satellite Augmentation System ( MSAS). Außerdem gibt es mit Differential Global Positioning System ( DGPS) ein Verfahren, das über Differenzmessungen der Laufzeiten das örtliche Auflösungsvermögen auf wenige Meter erhöht.
Das von der Europäischen Union initiierte strategische Konkurrenzsystem ist Galileo, das von der damaligen UDSSR entwickelte System heißt Global Navigation Satellite System ( GLONASS) und das chinesische System BeiDou.