4 Überblick über die Bestandteile des GPS

Das GPS kann wie jedes satellitengestützte Ortungs- und Navigationssystem in drei Hauptgruppen eingeteilt werden : die Satelliten als Sendernetz (Space Segment), die Boden- oder Kontrollstationen (Control Segment) und den Empfänger (User Segment).

4.1 Das Space-Segment

Das Space-Segment besteht aus den für den Betrieb des Systems notwendigen Satelliten. Da man für eine Positionsbestimmung, 4 Satelliten benötigt und das GPS an jedem Ort der Erde einsetzbar sein soll, müssen sich mindesten 21 Satelliten in der Erdumlaufbahn befinden. Im Moment besteht das Space-Segment aus 28 Satelliten, die für den Nutzer zu Verfügung stehen.

Die GPS-Satelliten bewegen sich gruppenweise auf Bahnen, deren Ebenen eine Neigung von 55° gegenüber der Äquatorebene haben. Untereinander besitzen die Bahnen einen Rektaszensionsunterschied (Rektaszension hat im äquatorialen Koordinatensystem die gleiche Bedeutung wie die Längengrade des geographischen Bezugssystems der Erde) von 60°. Die Satelliten umkreisen die Erde in einer Höhe von 20230 km und benötigen für einen Umlauf ca. 12 Stunden. Die nebenstehende Abbildung zeigt die räumliche Verteilung von 24 Satelliten.

Seit es das GPS gibt, wurden die Satelliten kontinuierlich verbessert und um verschiedene Funktionen erweitert. Im Moment sind die Satellitengenerationen II, IIA und IIR im Umlauf, die sich hauptsächlich in der Zeit unterscheiden, die sie von der Kontrollstation unabhängig operieren können. Der Block IIR besitzt sogar die Fähigkeit, durch Laufzeitmessungen zu anderen Satelliten seine Bahndaten zu korrigieren und kann somit bis zu 180 Tage ohne Kontakt zur Kontrollstation auskommen. Da die Satelliten durch Solarzellen mit Energie versorgt werden, drehen sie sich ständig so, dass ihre Solarzellen in Richtung Sonne und ihre Sendeantennen in Richtung Erde orientiert sind. Alle Satelliten besitzen jeweils zwei Cäsium- und zwei Rubidiumfrequenznormale, um eine Uhrenstabilität von 10^-13 s zu gewährleisten. Von diesen Frequenznormalen (Grundfrequenz 10,23 MHz) werden auch die Trägerfrequenzen L1 und L2, die Codefreqenzen sowie die Frequenz des Datensignals abgeleitet. Dies wird später noch näher erläutert..

4.2 Das Kontrollsegment

Das Kontrollsegment umfasst die Hauptstation, 5 Kontrollstationen und 3 Verbindungsstationen. Die Lage der Kontrollstationen ist so gewählt , dass jeder Satellit mindestens einmal am Tag gleichzeitig Sichtkontakt zu vier von ihnen hat. Der Grund hierfür ist, dass man zur Kontrolle der Satelliten das Ortungsverfahren umdreht. Dazu werden die empfangenen Daten an die Hauptstation gesendet. Sie kennt die genaue Lage der Kontrollstationen und kann aus den vier Laufzeitmessungen die genaue Position des Satelliten sowie seine Uhrengenauigkeit überprüfen. Stimmt die gemessene Satellitenposition oder dessen Uhrzeit nicht mit den von ihm ausgesandten Daten überein, so berechnet die Hauptstation neue Navigationsmitteilungen, die über die Sendestationen an den jeweiligen Satelliten geschickt werden. Das Bestreben dabei ist, dem Nutzer stets genaue Navigationsmittelungen zu liefern und ihm dadurch eine Ortung höchstmöglicher Genauigkeit zu liefern. Folgende Karte zeigt die Verteilung der Bodenstationen auf der Erde:

4.3 Das Nutzersegment

Das Nutzersegment setzt sich aus der großen Anzahl der mit GPS-Empfängern ausgestatteten Nutzer zusammen. Dabei unterscheidet man verschiedene Anwendungsbereiche, die unterschiedliche Genauigkeiten erfordern.

• Empfänger für zivile Nutzung mit eingeschränkter Genauigkeit (ca. 100m)
• Empfänger für militärische Nutzung mit hoher Genauigkeit(ca. 20m)
• Geodäsieempfänger für die Auswertung der Trägerphase (cm-Bereich)

Daneben gibt es noch das Differentielle GPS (DPGS), das mit Hilfe von sich am Boden befindlichen Funktürmen Genauigkeiten von bis zu 3m (quadratisches Mittel) erreicht.