Das Navi weiß den Weg: 40 Jahre GPS-Satelliten

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Nach dem Weg fragen muss heute kaum noch jemand und Papierkarten sind aus den Autos verschwunden – das Smartphone oder Navi weiß den Weg. Aber nur, weil ihm etwas sagt, wo man sich gerade befindet: Eine nunmehr 45 Jahre alte Technik namens Global Positioning System (GPS) ist mittlerweile so alltäglich wie das Auto selbst geworden. Diese Erfindung hatte aber eine lange Vorgeschichte.

Am Anfang stand militärische Nutzung

Denn vor dem GPS hat es auch schon Satellitennavigations-Systeme gegeben. Und davor nutzte man Funkfeuer, Leuchttürme und die Koppelnavigation sowie natürlich den Kompass und Wegmarken. Segler kennen bis heute die Brötchentütennavigation, bei der man in einem Hafen nur zum Bäcker gehen muss, um auf dessen Tüte abzulesen, wohin Wind und Wellen das Boot bewegten.

Das erste Satellitennavigationssystemen namens Transit wurde ab 1958 als Navy Navigation Satellite System (NNSS oder NAVSAT) entwickelt. Es sollte unter anderem auf Schiffen eingesetzt werden, um Interkontinentalraketen ins Ziel zu leiten. Der Start des ersten Satelliten schlug 1959 fehl, so dass der Demo-Satellit Transit 1B erst ab 1960 in seine Umlaufbahn einschwenkte. Ab 1964 wurde das System militärisch genutzt, ab 1967 auch zivil.

Erste Empfänger zu schwer zum Tragen

Transit erreichte Genauigkeiten von 15 bis 500 Metern. Die Ortsbestimmung hatte schon Elemente des späteren GPS-Systems. Die Empfänger konnten ihre Position aus Daten zur genauen Position der Satelliten, einem Zeitstempel sowie aus der Dopplerverschiebung errechnen. Die Empfänger für das System, das erst 1994 abgeschaltet wurde, waren allerdings zu groß, um auch einzelne Soldaten damit auszurüsten.

Daher begannen US-Militärs 1973 mit der Entwicklung eines von Einzelpersonen leichter nutzbaren Satellitennavigationssystems: das Global Positioning System, kurz GPS. 1978 flog der erste GPS-Satellit ins All.

Zivile Nutzung und größere Genauigkeit erst später erlaubt

Sensoren zur Erkennung einer Atomexplosion kamen mit dem Start des ersten Block-1-Satelliten 1980 an Bord. Das Militär hielt lange den Deckel auf der Erfindung. Erst nachdem 1983 sowjetische Jagdflugzeuge eine vom Weg abgekommene koreanische Linienmaschine abschossen, konnten auch zivile Nutzer GPS benutzen.

Nach Finanzierungsschwierigkeiten war GPS jedoch erst 1995 voll einsatzfähig: 24 GPS-Satelliten und einige Reservesatelliten kreisen in sechs Orbitalen 20.200 Kilometer über uns. Allerdings war die Positionsgenauigkeit bis zum 2. Mai 2000 nur auf rund hundert Meter genau. An diesem Tag ließ die US-Regierung das Fehlersignal „SA“ (Selective Availability) abschalten.

Konkurrenz kommt auf

Es lässt sich nicht mehr klären, inwieweit dieser Umstand anderen aufkommenden Ideen für Satellitennavigationssysteme wie Glonass, Beidou und Galileo das Wasser abgraben sollte. Grund für die Entwicklungen anderer Länder war das Unbehagen, sich ausschließlich auf ein System stützen zu müssen, bei dem das US-Militär jederzeit den Daumen drauf hat.

Die Abschaltung des SA-Signals im Jahr 2000 bewirkte sofort ein lebhaftes Interesse der zivilen Nutzer, da die verbesserte Navigationsgenauigkeit GPS plötzlich als Navi brauchbar machte. Dem ersten GPS-fähigen Mobiltelefon, dem Benefon Esc, merkte man die Ungenauigkeiten durch das SA-Signal noch an.

Erst 2007 kam das Nokia N95 mit dem GPS-Chip Texas Instruments GPS 5300 Navilink. Es empfing schon A-GPS-Hilfsdaten und das drückte die Zeit zum Finden der Position von fünf Minuten auf wenige Sekunden. Seit dem Erscheinen des iPhone 4s und dem Motorola Droid Razr können Smartphones in der Regel mindestens zwei Satellitennavigationssysteme empfangen: GPS und Glonass. Seit 2014 spielt auch das chinesische Unternehmen Beidou bei Smartphones mit und seit 2017 können immer mehr Geräte Galileo-Signale umsetzen.

GPS ist mehr als nur L1-Empfang

Die weitaus meisten Benutzer von GPS nutzen lediglich den Standard-Positionierungsdienst SPS und das L1-Signal auf 1575,42 Megahertz. Der Precise Positioning Service (PPS) auf L2 (1227,60 Megahertz) ist dem Militär vorbehalten, etwas genauer und wird verschlüsselt ausgestrahlt. Ein zweites ziviles Signal wird auf L2C ausgestrahlt. SBAS-Hilfssignale erhöhen in bestimmten Situationen die Genauigkeit. Als DGPS lassen sich für die Vermessung auch Genauigkeiten im Zentimeterbereich erzielen.

Mehrfrequenzempfang weiterer Signale (L2C auf 1227,60 MHz sowie L5 auf 1176,45 MHz) soll mit Chips wie dem im September 2017 Broadcom BCM47755 auch bei Smartphones die Positionierungsgenauigkeit auf rund 30 Zentimeter erhöhen. Erste Geräte werden noch 2018 erwartet.

Kooperation ist gefragt

Bereits jetzt verwerten Smartphones außer GPS auch Signale anderer Satellitennavigationsdienste wie Glonass, Beidou und nicht zuletzt die des europäischen Galileo-Projektes. Die Chips können bereits jetzt Positionen aus den Daten verschiedener Satellitenplattformen ermitteln. Neue Chipgenerationen werden GPS- und Glonass-Signale nicht mehr bevorzugen und stattdessen alles verwerten, was empfangbar ist.

Die bisher fünf GPS-Satellitengenerationen wurden von Rockwell, Lockheed Martin und Boeing gebaut, jeweils nur neun bis 20 Satelliten, die für eine Lebensdauer von zehn bis 15 Jahre konzipiert waren. Seit 1978 wurden somit über 60 Satelliten gestartet. Stand heute befinden sich 31 GPS-Satelliten im Orbit, einige davon inaktiv beziehungsweise in Reserve. (mil)