Das Global Positioning System (GPS; deutsch Globales Positionsbestimmungssystem), offiziell NAVSTAR GPS, ist ein globales Navigationssatellitensystem zur Positionsbestimmung. Es wurde seit den 1970er-Jahren vom US-Verteidigungsministerium entwickelt und löste ab etwa 1985 das alte Satellitennavigationssystem NNSS (Transit) der US-Marine ab, ebenso die Vela-Satelliten zur Ortung von Kernwaffenexplosionen. GPS ist seit Mitte der 1990er-Jahre voll funktionsfähig und ermöglicht seit der Abschaltung der künstlichen Signalverschlechterung (Selective Availability) am 2. Mai 2000 auch zivilen Nutzern eine Genauigkeit von oft besser als 10 Metern. Die Genauigkeit lässt sich durch Differenzmethoden (Differential-GPS/DGPS) in der Umgebung eines Referenzempfängers auf Werte im Zentimeterbereich oder besser steigern. Mit den satellitengestützten Verbesserungssystemen (SBAS), die Korrekturdaten über geostationäre, in den Polargebieten nicht zu empfangende Satelliten verbreiten und ebenfalls zur Klasse der DGPS-Systeme gehören, werden kontinentweit Genauigkeiten von einem Meter erreicht. GPS hat sich als das weltweit wichtigste Ortungsverfahren etabliert und wird in Navigationssystemen weitverbreitet genutzt.
Die offizielle Bezeichnung ist „Navigational Satellite Timing and Ranging – Global Positioning System“ (NAVSTAR GPS). NAVSTAR wird manchmal auch als Abkürzung für „Navigation System using Timing and Ranging“ (ohne GPS) genutzt. Das System wurde am 17. Juli 1995 offiziell in Betrieb genommen.
Die Abkürzung GPS wird heute umgangssprachlich, zum Teil sogar fachsprachlich, als generische Bezeichnung oder Deonym für sämtliche Satellitennavigationssysteme benutzt, die korrekt unter dem Kürzel GNSS (Global Navigation(al) Satellite System) zusammengefasst werden.
Für die Entwicklung von GPS erhielten Bradford W. Parkinson, Hugo Fruehauf und Richard Schwartz 2019 den Queen Elizabeth Prize for Engineering.
GPS war ursprünglich zur Positionsbestimmung und Navigation im militärischen Bereich (in Waffensystemen, Kriegsschiffen, Flugzeugen usw.) vorgesehen. Im Gegensatz zu Mobilfunkgeräten können GPS-Geräte Signale nur empfangen aber nicht aktiv senden. So kann navigiert werden, ohne dass Dritte Informationen über den eigenen Standort erhalten. Heute wird das GPS durchweg auch im zivilen Bereich genutzt: Zur räumlichen Orientierung in Seefahrt, Luftfahrt und im Straßenverkehr ebenso wie beim Aufenthalt in der Natur; zur Positionsbestimmung und -verfolgung im Rettungs- und Feuerwehrdienst, im ÖPNV sowie im Logistikbereich.
DGPS-Verfahren haben in Deutschland nach dem Aufbau des Satellitenpositionierungsdienstes der deutschen Landesvermessung (SAPOS) besondere Bedeutung in der Geodäsie, da sich damit landesweit Vermessungen in cm-Genauigkeit durchführen lassen. In der Landwirtschaft wird es beim Precision Farming zur Positionsbestimmung der Maschinen auf dem Acker genutzt.
Speziell für den Einsatz in Mobiltelefonen wurde das Assisted Global Positioning System (A-GPS) entwickelt.
Aufbau und Funktionsweise der Ortungsfunktion
Das allgemeine Prinzip der GPS-Satellitenortung beschreibt der Artikel Globales Navigationssatellitensystem.
GPS basiert auf Satelliten, die mit codierten Radiosignalen ständig ihre aktuelle Position und die genaue Uhrzeit ausstrahlen. Aus den Signallaufzeiten können spezielle Empfänger ihre eigene Position und Geschwindigkeit berechnen. Theoretisch reichen die Signale von drei Satelliten aus, welche sich oberhalb ihres Abschaltwinkels befinden müssen, um daraus die genaue Position und Höhe zu bestimmen. In der Praxis haben GPS-Empfänger keine ausreichend genaue Uhr, um die Laufzeiten gegenüber der GPS-Zeit korrekt zu messen. Deshalb wird das Signal eines vierten Satelliten benötigt, mit dem die Referenzzeit im Empfänger bestimmt werden kann. Zur Anzahl der benötigten Satelliten siehe auch: GPS-Technik
Mit den GPS-Signalen lässt sich nicht nur die Position, sondern auch die Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung des Empfängers bestimmen, die dann auf einer digitalen Landkarte oder als Kompass angezeigt werden kann. Da dies allgemein über Messung des Dopplereffektes oder die Differenzierung des Ortes nach der Zeit (Maß und Richtung der festgestellten örtlichen Veränderung) erfolgt, ist die Kompassmessung nur möglich, wenn der Empfänger sich bewegt hat.
Die Satellitenkonstellation wurde so festgelegt, dass es einem GPS-Empfänger in der Regel möglich ist, Kontakt mit mindestens vier Satelliten zu haben. Sechs Bahnebenen sind 55° gegen den Äquator geneigt und decken fast die ganze Welt ab.
Entsprechend der GPS-Basiskonfiguration sollten in jeder der sechs Bahnebenen mindestens vier Satelliten die Erde in 20.200 km Höhe an jedem Sterntag zweimal umkreisen. Ein Satellit der Ausführung IIR etwa ist für eine Einsatzdauer von 7,5 Jahren konstruiert. Um Ausfälle aufgrund von technischen Defekten zu vermeiden werden zusätzliche Satelliten bereitgehalten. Teilweise sind diese in extended Slots der Konstellation platziert und nehmen dort eine aktive Rolle ein. Weitere inaktive Ersatzsatelliten warten in einer Umlaufbahn auf ihren Einsatz. Eine entstandene Lücke in der Konstellation führt zu keiner Einschränkung der Signalverfügbarkeit, wenn ein unmittelbar benachbarter extended Slot besetzt ist. Um eine Lücke aufzufüllen, kann ein neuer Satellit gestartet werden, ein schlafender Satellit, der bereits im Umlauf ist, aktiviert werden oder ein aktiver Satellit zu einer anderen Position manövriert werden. Alle diese Maßnahmen sind zeitaufwendig. Es dauert Monate, um einen Satelliten an die für den Einsatz erforderliche Position zu bringen. Innerhalb einer Bahnebene kann eine Repositionierung durch eine Folge von Brems- und Beschleunigungsmanövern erfolgen, solange der Treibstoffvorrat hierzu ausreicht, der im Regelfall nur zur Einhaltung der exakten Position verwendet wird. Aufgrund des schwachen Triebwerks kann ein Satellit sich nicht selber in eine höhere Umlaufebene befördern.
Das Datensignal mit einer Datenrate von 50 bit/s und einer Rahmenperiode von 30 s wird parallel mittels Spread-Spectrum-Verfahren auf zwei Frequenzen ausgesendet:
Auf der L1-Frequenz (1575,42 MHz) werden der C/A-Code („Coarse/Acquisition“) für die zivile Nutzung, und trennbar-überlagert dazu der nicht öffentlich bekannte P/Y-Code („Precision/encrypted“) für die militärische Nutzung eingesetzt. Das übertragene Datensignal ist bei beiden Codefolgen identisch und stellt die 1500 Bit lange Navigationsnachricht dar. Diese Navigationsnachricht besteht aus den Komponenten GPS-Zeiten und Satellitenstatus, Ephemerisdaten und Almanach. GPS-Empfänger nutzen die GPS-Zeiten, den Satellitenstatus und Ephemerisdaten, um ihren Standort zu berechnen, und speichern die Almanachdaten zwischen, um 25-seitige Almanachdaten zu erstellen. Die Almanachdaten stellen den groben Almanach jedes einzelnen Satelliten, die Schaltsekunden seit 1980, die ionosphärische Laufzeitkorrektur der Altimetrie usf. zur Verfügung und dienen zum Beschleunigen der Erstpositionsbestimmung und zum Verbessern der Standortbestimmung. Die Übertragung der Navigationsnachricht benötigt 30 Sekunden.
Die zweite Frequenz L2-Frequenz (1227,60 MHz) überträgt nur den P/Y-Code. Wahlweise kann auf der zweiten Frequenz der C/A-Code übertragen werden. Durch die Übertragung auf zwei Frequenzen können ionosphärische Effekte, die zur Erhöhung der Laufzeit führen, herausgerechnet werden, was die Genauigkeit steigert. Im Rahmen der GPS-Modernisierung wird seit 2005 (Satelliten des Typs IIR-M und IIF) zusätzlich ein neuer ziviler C-Code (L2C) mit optimierter Datenstruktur übertragen.
Momentan ist die dritte L5-Frequenz (1176,45 MHz) im Aufbau. Sie soll die Robustheit des Empfangs weiter verbessern und ist vor allem für die Luftfahrt und Rettungsdienst-Anwendungen vorgesehen. Seit 2010 werden die L5-fähigen IIF-Satelliten eingesetzt, seit dem 28. April 2014 enthalten die L5-Signale nutzbare Navigationsdaten und seit dem 31. Dezember 2014 werden diese täglich aktualisiert. L5 verwendet die gleiche modernisierte Datenstruktur wie das L2C-Signal.