1 Einleitung

"Ortung und Navigation sind die beiden Grundvoraussetzungen für eine gezielte und vor allem erfolgreiche Ortsveränderung". Diese Tatsache wird einem in erster Linie beim Verlassen der bekannten Umgebung bewusst. Im Gegensatz zum Altertum, wo die Navigation noch mit erheblichem Aufwand verbunden und die für sie nötigen Mittel nicht für jeden verfügbar waren, gibt es in unserer hochtechnisierten Welt vorgefertigte Ortungs- und Navigationslösungen, die für jeden erschwinglich und verständlich sind. Die Grundlage hierfür bildet die Satellitennavigation, die auf in der Erdumlaufbahn lokalisierten Satelliten basiert. Zur Zeit existieren zwei funktionsfähige Satellitennavigationssysteme: das vom Verteidigungsministerium der ehemaligen Sowjetunion konzipierte Global Navigation Satellite System (GLONASS) und das amerikanische Äquivalent Global Positioning System (GPS). Obwohl beide Systeme als nahezu gleichwertig zu betrachten sind, hat sich das GPS durchgesetzt. Deshalb soll im Folgenden der Aufbau und mathematische Hintergrund dieses Systems veranschaulicht werden.

2 Unterschiedliche Ortungs- und Navigationsverfahren

2.1 Die terrestrische Navigation

Die einfachste und auch älteste Art, sich in seiner Umgebung zurecht zu finden, ist die terrestrische Navigation. Dabei orientiert man sich an Landschaftsmerkmalen, die natürlich (z.B. Flüsse, Berge, Kaps, etc.) oder künstlich (z.B. Leuchttürme) geschaffen sein können. Nachteilig ist dabei jedoch, dass dieser Art der Navigation nur lokal begrenzt Bedeutung zukommt. In unbekannten Gebieten oder über Wasser versagt sie.

2.2 Die Astronavigation

Bei der Astronavigation wurden sehr früh Gestirne in die Orientierung mit einbezogen. Mit Hilfe des Sextanten, einem optischen Präzisionsinstrument, mit dem sich der Abstand zwischen dem sichtbaren waagerechten Horizont und einem Gestirn messen ließ, und Tabellenwerken (sog. Nautischen Tafeln) konnte man seine Position bis auf 2 Seemeilen genau bestimmen. Hierbei war man jedoch auf einen klaren Himmel angewiesen, da es sonst unmöglich war, die Sterne anzuvisieren.

2.3 Magnetisch Nord

Mit Magnetisch Nord hatte man später ein Hilfsmittel zur Hand, das die Navigation vom Wetter weitgehend unabhängig machte. War man im Besitz einer Karte, auf der die aktuelle Position bekannt war, so konnte man mit Hilfe des Kompasses seine Bewegungsrichtung bestimmen und jeden Punkt dieser Karte erreichen.

2.4 Funkortung und -navigation

Alle diese Verfahren haben heutzutage kaum noch Bedeutung. Sie wurden durch die Funkortung und - navigation abgelöst, bei der elektromagnetische Wellen unterschiedlichster Freqenz zum Einsatz kommen. Diese Verfahren ermöglichen eine genaue Positionsbestimmung bei jedem Wetter und somit im Gegensatz zu Magnetisch Nord eine Navigation auch bei unbekanntem Ausgangsstandort. Da die Position durch Vergleich von Signallaufzeiten zu mehreren auf der Erde lokalisierten Funktürmen bestimmt wird, ergibt sich eine lokale Begrenztheit dieses Verfahrens. Dieses Manko gibt es bei dem nun vorzustellenden Global Positioning System nicht, da dieser Ortungsservice, wie der Name schon vermuten lässt, global, also an jedem Punkt der Erde verfügbar ist.

2.5 Anforderungen an das GPS

"Das USA-Verteidigungsministerium erteilte 1973 den Auftrag, ein satellitengestütztes System zu entwickeln, das den folgenden Anforderungen (...) gerecht werden sollte:

• dreidimensionale Positionsbestimmung (Ortung) in Echtzeit von ruhenden und bewegten Objekten auf der Erde und im erdnahen Raum
• Bestimmung der Geschwindigkeit bewegte Objekte
• Lieferung von Zeitinformation
• Unbegrenzte Anzahl gleichzeitig tätiger Nutzer
• Unabhängigkeit von metereologischen Verhältnissen
• Hohe Sicherheit gegenüber zufälligen und gegenüber gewollten Störungen
• Hohe Genauigkeit der Positionsbestimmung mit einem mittleren quadratischen Fehler von 30 m und Eindeutigkeit der Ergebnisse
• Hohe Genauigkeit der Geschwindigkeitsbestimmung mit einem mittleren quadratischen Fehler von 0,3 m/s
• Hohe Genauigkeit der erteilten Zeitinformation mit einem mittleren quadratischen Fehler von 10 ns
• Zeitbedarf für die erstmalige Bestimmung einer Position in der Größenordnung von einigen Minuten, für nachfolgende Bestimmungen weniger als 30 s."