GPS-System
2006-02-21

Der Aufbau des GPS-Systems

Das GPS-System lässt sich in drei grundlegende Segmente unterteilen, die nachfolgend besprochen werden:

  •  Weltraumsegment (Satelliten)
  •  Kontrollsegment (Kontrollstationen)
  •  Benutzersegment (GPS-Empfänger)

Das Weltraumsegment

Das Weltraumsegment besteht aus mindestens 24 Satelliten. Der erste dieser Satelliten wurde bereits 1978 in seine Umlaufbahn gebracht. Mittlerweile gibt es fünf verschiedene Typen (Block I, Block II, Block IIA, Block IIR und Block IIF) dieser Satelliten, die natürlich im Laufe der Jahre immer weiter entwickelt wurden.

 

Block I Satelliten

Zwischen 1978 und 1985 wurden von Kalifornien aus elf Block I Satelliten mit jeweils einer Masse von 845 kg gestartet, von denen heute jedoch kein einziger mehr in Betrieb ist. Diese Satelliten waren für eine Lebensdauer von 4,5 Jahren konzipiert, überlebten jedoch ihr geplantes Alter um weitere fünf Jahre. Einer der Satelliten war 13 Jahre lang in Betrieb. Bei den Block I Satelliten, die als Prototypen lediglich der Erprobung des Systems dienten, waren alle Signale für zivile Nutzer zugänglich. Zur Stromversorgung dienten Solarpanels mit 400 Watt Leistung. Während sich die Satelliten im Erdschatten befanden, dienten Nickel-Cadmium-Zellen als Reserve. Die Triebwerke zur Positionskorrektur wurden mit Hydrazin betrieben. Informationen zu den Block I Satelliten können hier eingesehen werden (englisch), die Informationen sind jedoch von 1996, da alle Block I Satelliten mittlerweile ausser Betrieb sind.

 

Block II Satelliten

Die Block II Satelliten wiegen mit über 1500 kg etwa das doppelte der Block I Satelliten. Der erste dieser Satelliten wurde 1989 von Cape Canaveral aus gestartet. Diese Satelliten haben eine "Spannweite" von ca. 5,1 m. Die Block II Satelliten sind für eine Betriebsdauer von 7,5 Jahren ausgelegt. Insgesamt wurden 9 Block II Satelliten und 18 Block IIA Satelliten bis September 1996 gestartet.
Obwohl die Satelliten sich weiterhin auf sechs unterschiedlichen Bahnen mit einem jeweils gleichen Winkel zum Äquator befinden, haben die neueren Block II Satelliten eine etwas veränderte Konstellation. Im Jahr 1990 wurde der erste Block IIA-Satellit (A steht für "advanced") in seine Umlaufbahn gebracht. Infos über den Status der Block II Satelliten gibt es hier (englisch). Der Status des Gesamtsystems ist hier zu finden (englisch).

Die Block II und Block IIA Satelliten besitzen jeweils zwei Rubidium und zwei Cäsium Atomuhren mit einer Uhrenstabilität von mindestens 10 - 13  s. Aus der Grundfrequenz der Atomuhren (10,23 MHz) leiten sich alle anderen benötigten Frequenzen ab. Die Satelliten des Blocks IIR haben drei Rubidium-Atomuhren an Bord. Diese extreme Ganggenauigkeit von ± 1 Sekunde in 1 Million Jahren ist absolut notwendig für das Funktionieren des Systems. Warum wird im Kapitel Positionsbestimmung erklärt.

Bei diesen neuen Block IIR Satelliten ist jetzt nur noch das sogenannte C/A-Signal (Coarse/Aquisition) für zivile Anwendungen zugänglich. Die Stromversorgung und der Antrieb blieben gleich wie bei den Block I Satelliten, die Solarpanels leisten jetzt allerdings 750 Watt.
Von der nächsten Generation (Block IIR (replenishment - Auffrischung)) Satelliten sollten ursprünglich jeweils drei Stück mit dem Space Shuttle in ihre Umlaufbahn gebracht werden, nach der Challenger Katastrophe (1986) wurde dann aber beschlossen, jeweils zwei Satelliten mit einer Delta-Rakete in den Orbit zu bringen.

Im September 2005 wurde der erste Satellit der nächsten Generation (Block IIR-M) gestartet. Dieser Satellit unterstützt als erster eine zweite Frequenz für die zivile Nutzung (L2C) und ein neues militärisches Signal (L1M, L2M). Der neuen Satellit wiegt 2 Tonnen und kostet 75 Millionen Dollar. Weitere der IIR-M Satelliten sollen 2006 folgen.

Paradoxerweise gingen dabei bereits die ersten beiden Satelliten verloren, da aufgrund einer Fehlfunktion der Delta II Rakete (übrigens die erste Fehlfunktion bei einer Rakete diesen Typs) diese kurz nach dem Start zerstört werden musste.

Alle Block II Satelliten haben weiterhin noch einige zusätzliche Fähigkeiten, die aber mit dem eigentlichen GPS-System nichts zu tun haben. Dazu gehören beispielsweise Sensoren, die Atomexplosionen detektieren können. Der bisher letzte Block IIa Satellit wurde am 30. Januar 2001 von Cape Canaveral aus gestartet.
Der Start eines Block II Satelliten kostet etwa $ 50 Mio., was deutlich macht, welch hohe Investitionskosten das System birgt. Diese enormen Ausgaben werden teilweise nur deshalb vom US Kongress bewilligt, weil das System sowohl militärisch als auch zivil genutzt werden kann. Aktuelle Informationen zum Status der Block II Satelliten kann hier oder hier eingesehen werden (englisch).

Die nächste Generation der Satelliten (Block IIF) soll voraussichtlich über eine dritte Frequenz für die zivile Nutzung verfügen (L5), die dann Positionsbestimmungen mit noch größerer Genauigkeit ermöglicht. Diese Satelliten des Block IIF besitzen anstatt der Rubidium- bzw. Cäsium-Atomuhren Wasserstoffmaser, die eine noch größere Genauigkeit aufweisen. Die neuen Satelliten werden nach der bisherigen Planung aber erst deutlich nach 2005 einsatzbereit sein.

Die Abstrahlungsleistung der Satelliten beträgt momentan lediglich maximal 50 Watt. Zum Vergleich: Fernsehsatelliten wie die ASTRA-Satelliten strahlen mit einer Leistung von etwa 100 Watt, jedoch nur über Europa und man benötigt mindestens eine 50 cm Parabolantenne für den Empfang ohingegen eine GPS-Antenne meist nur wenige Zentimeter gross ist. Bei den Fernsehsatelliten sind die Datenübertragungsraten jedoch unvergleichlich höher.
Aufgrund der verwendeten hohen Frequenz können die Signale weder Stein noch Wasser durchdringen und werden unter Umständen bereits von sehr dichter Belaubung in Wäldern so stark abgeschwächt, dass manche (vor allem ältere) Empfänger Schwierigkeiten bekommen können. Allerdings funktioniert das GPS bei jedem Wetter, also auch bei stärkster Bewölkung (Probleme können jedoch bei sehr starkem Schneefall auftreten).