Global Positioning System

Der für die Modulation des Datensignals im zivilen Bereich eingesetzte C/A-Code ist eine pseudozufällige Codefolge mit einer Länge von 1023 Bits. Die Sendebits einer Codefolge werden bei „Spread Spectrum“-Modulationen als sogenannte „Chips“ bezeichnet und tragen keine Nutzdateninformation, sondern dienen nur zur Demodulation mittels Korrelation mit der Codefolge selbst. Diese 1023 Chips lange Folge hat eine Periodenlänge von 1 ms, und die Chips-Rate beträgt 1,023 Mcps. Die beiden Codegeneratoren für die Gold-Folge bestehen aus jeweils 10 Bit langen Schieberegistern und sind vergleichbar mit linear rückgekoppelten Schieberegistern, wenngleich sie für sich einzeln nicht die maximale Folge ergeben. Die beim C/A-Code eingesetzten Generatorpolynome G₁ und G₂ lauten:

${\displaystyle G_{1}=1+x^{3}+x^{10}}$

${\displaystyle G_{2}=1+x^{2}+x^{3}+x^{6}+x^{8}+x^{9}+x^{10}}$

Die endgültige Gold-Folge (C/A-Codefolge) wird durch eine Codephasenverschiebung zwischen den beiden Generatoren erreicht. Die Phasenverschiebung wird bei jedem GPS-Satelliten unterschiedlich gewählt, so dass die dabei entstehenden Sendefolgen (Chips-Signalfolgen) orthogonal zueinander stehen – damit ist ein unabhängiger Empfang der einzelnen Satellitensignale möglich, obwohl alle GPS-Satelliten auf den gleichen Nominalfrequenzen L₁ und L₂ senden (sogenanntes Codemultiplex, CDMA-Verfahren).

Im Gegensatz zu den pseudozufälligen Rauschfolgen aus linear rückgekoppelten Schieberegistern (LFSR) haben die zwar ebenfalls pseudozufälligen Rauschfolgen aus Gold-Codegeneratoren wesentlich bessere Eigenschaften der Kreuzkorrelation, wenn die zugrundeliegenden Generatorpolynome entsprechend ausgewählt werden. Dies bedeutet, dass die durch die Codephasenverschiebung eingestellten, unterschiedlichen Gold-Folgen mit gleichen Generatorpolynomen zueinander fast orthogonal im Coderaum stehen und sich damit kaum gegenseitig beeinflussen. Die beim C/A-Code eingesetzten LFSR-Generatorpolynome G1 und G2 erlauben maximal 1023 Codephasenverschiebungen, wovon ungefähr 25 % zueinander eine in der GPS-Anwendung hinreichend kleine Kreuzkorrelation für den CDMA-Empfang aufweisen. Damit können neben den maximal 32 GPS-Satelliten und deren Navigationssignalen weitere rund 200 Satelliten zusätzlich Daten auf der gleichen Sendefrequenz zu den GPS-Empfängern übertragen – dieser Umstand wird beispielsweise im Rahmen von EGNOS zur Übermittlung von atmosphärischen Korrekturdaten, Wetterdaten und Daten für die zivile Luftfahrt ausgenutzt.

Da die Datenrate der damit übertragenen Nutzdaten 50 bit/s beträgt und ein Nutzdatenbit genau 20 ms lang ist, wird ein einzelnes Nutzdatenbit immer durch exakt 20-malige Wiederholung einer Gold-Folge übertragen.

Der zuschaltbare künstliche Fehler Selective Availability, der seit dem Jahr 2000 nicht mehr eingesetzt wird, wurde bei dem C/A-Code dadurch erreicht, dass die zeitliche Ausrichtung (Taktsignal) der Chips einer geringen zeitlichen Schwankung (Jitter) unterworfen wurde. Die regionale Störung von GPS-Signalen wird durch das US-Militär durch GPS-Jammer erreicht und macht damit GPS nicht in jedem Fall zu einem verlässlichen Orientierungsmittel, da nicht verlässlich feststellbar ist, ob und wie weit GPS-Signale von den tatsächlichen UTM/MGRS-Koordinaten abweichen.

Eine US-Luftwaffensoldatin geht in einem Satellitenkontrollraum der Schriever Air Force Base in Colorado (USA) eine Checkliste zur Steuerung von GPS-Satelliten durch.

Der längere und meist militärisch verwendete P-Code verwendet als Codegenerator sogenannte JPL-Folgen. Er unterteilt sich in den öffentlich dokumentierten P-Code[5] und den zur Verschlüsselung auf der Funkschnittstelle eingesetzten und geheimen Y-Code, welcher bedarfsmäßig zu- bzw. abgeschaltet werden kann. Die Kombination daraus wird als P/Y-Code bezeichnet. Die Verschlüsselung mit dem Y-Code soll einen möglichst manipulationssicheren Betrieb (engl. Anti-Spoofing oder AS-Mode) ermöglichen. Seit 31. Januar 1994 ist der AS-Modus permanent aktiviert, und es wird nicht mehr der öffentlich bekannte P-Code direkt übertragen.

Der P-Code wird aus vier linearen Schieberegistern (LFSR) der Länge 10 gebildet. Zwei davon bilden den sogenannten X1-Code, die anderen beiden den X2-Code. Der X1-Code wird mit dem X2-Code so über XOR-Verknüpfungen kombiniert, dass insgesamt 37 verschiedene Phasenverschiebungen 27 verschiedene Wochensegmente des P-Codes ergeben. Die Längen sind bei diesem Code wesentlich höher als beim C/A-Code. So liefert der X1-Codegenerator eine Länge von 15.345.000 Chips und X2 eine Codefolge, die exakt um 37 Chips länger ist. Die Dauer, bis sich der P-Code wiederholt, ergibt sich daraus zu 266 Tagen (38 Wochen). Der P/Y-Code wird mit einer Chiprate von 10,23 Mcps gesendet, das entspricht der zehnfachen Chiprate des C/A-Codes. Er benötigt daher ein breiteres Frequenzspektrum als der C/A-Code.

Zur Unterscheidung der einzelnen GPS-Satelliten im P/Y-Code wird die sehr lange Codefolge von rund 38 Wochen Dauer in einzelne Wochensegmente aufgeteilt. Jeder GPS-Satellit hat einen genau eine Woche lang dauernden Codeabschnitt zugewiesen, und am Anfang jeder Woche (Sonntag 00:00 Uhr) werden alle P-Codegeneratoren wieder auf den Startwert zurückgesetzt. Damit wiederholt sich pro GPS-Satellit der P/Y-Code einmal pro Woche. Die Bodenstationen benötigen fünf Wochensegmente des in Summe 38 Wochen langen P-Codes für Steueraufgaben, 32 Wochensegmente sind für die Unterscheidung der einzelnen GPS-Satelliten vorgesehen.

Der C/A-Code dient dabei zur Umschaltung – sogenanntes Hand Over – auf den P/Y-Code. Da die P-Codefolge pro GPS-Satellit eine Woche umfasst, wäre das direkte Synchronisieren einfacher Empfänger auf die P-Codefolge ohne Kenntnis der genauen GPS-Uhrzeit praktisch unmöglich. Einfache GPS-Empfänger, die den P/Y-Code verwenden, synchronisieren sich zuerst auf den C/A-Code, gewinnen aus den übertragenen Daten die notwendigen Umschaltinformationen wie Uhrzeit, Wochentag und andere Informationen, stellen damit ihre P-Codegeneratoren entsprechend ein und schalten dann auf den Empfang des P/Y-Code um.

Moderne militärische GPS-Empfänger werden heute mit einer sehr viel größeren Anzahl von Korrelatoren ausgestattet, ähnlich wie der im zivilen Bereich eingesetzte SiRFstar-III-Chipsatz, wodurch es möglich ist, den P/Y-Code direkt auszuwerten. Diese Empfänger werden bei den Herstellern als „direct-Y-code“-Empfänger bezeichnet. Diese Empfängergeneration macht es möglich, den C/A-Code zu stören, um die Nutzung von zivilen GPS-Empfängern durch gegnerische Kräfte beispielsweise zum Vermessen von Feuerstellungen zu verhindern. Da die Bandbreite des militärischen Signals ca. 20 MHz ist, können die 1–2 MHz Bandbreite des C/A-Codes, die zivil genutzt werden, gestört werden, ohne dass militärische Empfänger wesentlich beeinträchtigt werden. Das und die Annahme, dass heutige Konflikte regional begrenzt sind, führten zur Entscheidung, die künstliche Verschlechterung dauerhaft abzuschalten.

Die genauen Parameter für die Y-Verschlüsselung des P-Codes sind nicht öffentlich bekannt. Die Parameter der Navigationsdaten (Nutzdaten, Rahmenaufbau, Bitrate), die mittels P/Y-Code übertragen werden, sind allerdings exakt identisch mit den Daten, die mittels der öffentlich bekannten C/A-Codefolge übertragen werden. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass der Takt der P/Y-Codefolge im Satelliten grundsätzlich keinem künstlichen Taktfehler unterworfen wird und der P-Code die 10-fache Taktrate zum C/A-Code aufweist. Damit können P/Y-Empfänger die für die Positionsbestimmung wesentliche Information der Übertragungszeiten genauer gewinnen.

Es bestehen strikte Kontrollen bei der Weitergabe von P-Code-Daten an Länder außerhalb der NATO. Derartige Anwender wie z. B. die Schweizer Luftwaffe erhalten den wöchentlich von der NSA gewechselten aktuellen P-Code und spielen diesen auf die Navigationshardware in ihren Kampfflugzeugen ein. Ohne dieses Update sinkt die Zielgenauigkeit der Bordwaffen drastisch.[6]

Die von GPS ursprünglich geplante Konstellation, jetzt als 24-Slot-Basiskonfiguration bezeichnet, umfasst sechs gleichmäßig verteilte Umlaufebenen, jeweils 55° gegen den Äquator geneigt. Diese Umlaufebenen sind mit den Buchstabe A – F gekennzeichnet. In jeder dieser Ebenen sind in der Basiskonfiguration vier Satelliten im Umlauf, die allerdings nicht gleichmäßig verteilt sind. Die einzelnen Positionen in einer Umlaufebene sind festgelegt und mit 1 – 4 durchnummeriert.

Die aktuelle Konfiguration umfasst bis zu sechs zusätzliche Satelliten.

Die Information darüber sind im Performance-Standard Dokument zu finden[20]. Der Text in Abschnitt 3.0 legt fest, dass die zusätzlichen Satelliten in den Ebenen B, D und F lokalisiert sind. Die tatsächliche Konstellation scheint sich nicht an diese Beschränkung zu halten. Die ungleichmäßig verteilte Belegung einer Ebene mit Satelliten wird am Beispiel der Ebene B gezeigt. In rot ist hier der zu B1F=B5, B1A=B6 erweiterte Slot B1 gezeigt. Die Belegung in den anderen Ebenen ist jeweils ähnlich, aber winkelversetzt, um eine optimale Grundabdeckung für die GPS-Klienten am Boden sicherzustellen.

Die Konstellation umfasst Satelliten der Generation IIR, IIF und III. Einige funktionsbereite Satelliten sind nicht Bestandteil der Konstellation, können aber eingegliedert werden, sollte ein anderer Satellit durch technischen Defekt frühzeitig ausscheiden, so zeitweise geschehen mit Navstar 35. Alle Satelliten der Generation benötigen eine jährliche Auszeit von bis zu einem Tag, um die Position zu korrigieren oder Wartungsarbeiten durchzuführen.[21][22][23]

Folgende GPS-Satelliten wurden gestartet, sind aber noch im Transfer oder im Test (Stand: 9. Februar 2023).

Von dieser Baureihe ist kein Satellit mehr aktiv.

Hersteller: Rockwell

Umlaufbahnen: kreisförmig in 20.200 km Höhe mit 63° Inklination.[12]

Hersteller: Rockwell

Umlaufbahnen: kreisförmig in 20.200 km Höhe mit 55° Inklination.[13]

Masse: 2032 kg

Dimensionen: 152 cm × 193 cm × 191 cm

Elektrische Leistung: 1136 W

Geschätzte Lebensdauer: konstruiert für 6 bis 7,5 Jahre, durchschnittliche tatsächliche Einsatzdauer: 10 Jahre, längste Einsatzzeit: 16 Jahre.

Transponder: 2× L-Band, 1× S-Band

Kosten: 40 Mio. US-Dollar

Hersteller: Lockheed Martin

Nutzlast: 2 Cs-Atomuhren, 2 Rb-Atomuhren

Verbreitung: 21 hergestellt, 13 gestartet, 11 sind im Einsatz, die restlichen 8 wurden zu GPS IIR-M umgerüstet.

Basiert auf: Lockheed-Martins AS 4000 Satellitenbus

Umlaufbahnen: kreisförmig in 20.200 km Höhe mit 55° Inklination.[25]

Start von Navstar 57 (andere Bezeichnungen: USA 183, GPS IIR-M1, GPS IIR-14M): 25. Sept. 2005

Letzter Start: 17. August 2009[26]

Masse: 2060 kg

Geschätzte Lebensdauer: 13 Jahre

Kosten: 60 Mio. Euro

Hersteller: Lockheed Martin

Verbreitung: 8 aus GPS IIR umgerüstet, alle 8 gestartet

Signal: L2C (zweites ziviles Signal auf L2); L2M (weiteres militärisches Signal, ab 2008). Voraussichtlich L5-Testsignal ab 2008

Nutzlast: 3 Rb-Atomuhren; Sendeleistung regelbar.

Basiert auf: Lockheed-Martins AS 4000 Satellitenbus

Umlaufbahnen: kreisförmig in 20.200 km Höhe mit 55° Inklination.[27]

Start: erster Start zunächst für 2002 geplant, dann 2007, über 2009, schließlich am 28. Mai 2010.

Signal: L5 (drittes ziviles Signal)

Kosten: 121 Mio. US-Dollar[16]

Nutzlast: 2 Cs-Atomuhren, 1 Rb-Atomuhr;

Hersteller: Boeing

Verbreitung: 12

Umlaufbahnen: kreisförmig in 20.200 km Höhe mit 55° Inklination.[14]

Hersteller: Lockheed Martin

Erster Start: 23. Dezember 2018 mit Falcon 9, Inbetriebnahme 2020[28]

Zweiter Start: 22. August 2019 mit der letzten Delta IV Medium

Verbreitung (geplant): 10 Satelliten[29]

Umlaufbahnen: kreisförmig in 20.200 km Höhe mit 55° Inklination.[29]

Hersteller: Lockheed Martin[30]

Erster Start (geplant): 2026[30]

Verbreitung (geplant): 22 Satelliten[30]

Es gibt zwei Dienstklassen:

• Standard Positioning Service (SPS) ist für jedermann verfügbar und erreichte eine Genauigkeit (engl. accuracy) von ca. 15 m horizontal (in 95 % der Messungen). Nach stetigen Verbesserungen vor allem durch den sukzessiven Ersatz älterer Satelliten durch Nachfolgemodelle wird aktuell eine Genauigkeit von 7,0 m garantiert (in 95 % der Messungen) bzw. 3,6 m RMS (root mean square, Standardabweichung).[31] Diese Genauigkeit gilt jedoch nur für das abgestrahlte Signal im Raum und beschreibt keinen 2D- oder 3D-Fehler. Dazu kommen noch die Empfänger- und Umgebungsfehler wie Empfängerrauschen, Troposphärenfehler, Softwarefehler, Mehrwegesignale usw.
  Im Mai 2000 wurde eine künstliche Ungenauigkeit vom US-Militär abgeschaltet; davor betrug die Genauigkeit 100 m. Mit der vierten Ausbaustufe soll in Krisen- bzw. Kriegsgebieten eine künstliche Verschlechterung (Selective Availability) durch lokale Störung des Empfangs verwirklicht werden.
• Precise Positioning Service (PPS) ist der militärischen Nutzung vorbehalten und auf eine Genauigkeit für das Signal im Raum von 5,9 m (in 95 % der Messungen) bzw. 3 m RMS ausgelegt.[32] Diese Signale werden verschlüsselt ausgestrahlt.

Eine Erhöhung der Genauigkeit (0,01–5 m) kann durch Einsatz von DGPS (Differential-GPS) erreicht werden.

Zur Verbesserung der Genauigkeit dienen satellitengestützte Erweiterungssysteme (Satellite-Based Augmentation Systems, SBAS): EGNOS in Europa, WAAS in den USA, MSAS in Japan und GAGAN in Indien.

GPS nutzt eine eigene kontinuierliche Atomzeitskala, welche bei der Einführung von GPS im Jahr 1980 mit UTC übereinstimmte, jedoch keine Schaltsekunden berücksichtigt. Seit der Einführung der letzten Schaltsekunde im Dezember 2016 beträgt die Differenz zwischen beiden Zeiten 18 Sekunden (UTC + 18 Sekunden = GPS-Zeit). Der aktuelle Wert dieser Differenz wird im Nutzdatensignal des Systems übertragen.

Es gibt die folgenden zwei Verfahren, um mittels GPS eine Position zu bestimmen:

• Code: Dieses Verfahren ermöglicht eine recht robuste Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit von weniger als 10 m. Alle preiswerten Empfänger verwenden dieses Verfahren. Mittels DGPS sind Genauigkeiten unter einem Meter möglich.
• Code + Trägerphase: Unter guten Empfangsbedingungen und mit präzisen Empfängern ist mit diesem Verfahren eine Genauigkeit von unter 5 m möglich. Die Genauigkeitssteigerung rührt nicht nur vom geringeren Rauschen der Trägerphasenmessung her, sondern auch von der Verwendung der zweiten Frequenz zur Ionosphärenmessung. Soll der Millimeter-Bereich erreicht werden, so ist dies bisher nur im DGPS-Betrieb möglich, weil die lokalen Effekte der Troposphäre berücksichtigt werden müssen.

In Fahrzeugen können zusätzlich Odometrie-Daten wie Geschwindigkeit und Beschleunigung sowie Richtungsdaten (z. B. Differential-Odometer, Drehratensensor) verwertet werden, um die Position präziser zu bestimmen oder auch noch in Funklöchern wie z. B. Tunneln eine Position ermitteln zu können. Da diese Daten nur von den in der Fahrzeugelektronik implementierten Sensoren gemessen und an das Navigationssystem übermittelt werden können, ist diese höhere Präzision derzeit nur von festeingebauten Navigationssystemen zu erreichen.

Zeitdilatation auf Satelliten relativ zu einer Sekunde auf der Erde (siehe Text)

Die Zeit, die die Atomuhren auf den GPS-Satelliten anzeigen, unterliegt den Effekten der relativistischen Zeitdilatation.[33] Dabei hängt nach der allgemeinen Relativitätstheorie die Ganggeschwindigkeit einer Uhr vom Ort im Gravitationsfeld ab und nach der speziellen auch von ihrer Geschwindigkeit. Das geringere Gravitationspotential in der Satellitenbahn lässt die Zeit schneller vergehen, die Bahnbewegung der Satelliten relativ zu einem ruhenden Beobachter auf der Erde verzögert sie. In einer Flughöhe von ca. 3.000 km heben sich beide Effekte gerade auf, in der GPS-Satellitenbahn überwiegt der gravitative Effekt um mehr als das 6fache. Auf den Satelliten vergeht damit die Zeit schneller als für eine Uhr am Erdboden. Der relative Gangunterschied (Δt/t) zu einer irdischen Uhr liegt zwar bei nur 4,4·10⁻¹⁰, er ist jedoch deutlich größer als die relative Ganggenauigkeit von Cäsium-Atomuhren, die besser als 10⁻¹³ sind.

In der Grafik liegt die Bezugshöhe im Erdmittelpunkt, die Erdoberfläche entsprechend bei 6370 km. Die Ordinate ist die Zeitdilatation, bezogen auf eine Erdsekunde. Die obere Kurve gibt Auskunft, um wie viele Sekunden die Zeit in großer Höhe und kleiner Gravitation schneller vergeht. Die Zeitverzögerung durch die Bahnbewegung eines Satelliten folgt aus der unteren Kurve. Die Summe beider Effekte führt zur mittleren Kurve.

Aufgrund der Relativbewegung zwischen Empfänger (Erddrehung) und Satellit (Bahnbewegung) unterliegen die Signale dem relativistischen Dopplereffekt. Bei einer Trägerfrequenz von 1,5 GHz variiert das Signal um ±5 kHz. Die Zeit- bzw. Frequenzgenauigkeit der Satellitenatomuhren von besser als 10⁻¹² genügt, um Eigenbewegungen des Empfängers in der Größenordnung von 1 m/s zu erkennen. Oft wird irrtümlich darauf hingewiesen, dass diese Gangunterschiede zu einem Positionsbestimmungsfehler von mehreren Kilometern pro Tag führten, wenn sie nicht korrigiert würden. Ein solcher Fehler würde nur dann auftreten, wenn die Positionsbestimmung über die Ermittlung der Abstände des GPS-Empfängers zu drei Satelliten anhand eines Uhrenvergleichs mit einer Uhr im Empfänger erfolgte. In diesem Fall würde sich bei jeder dieser Abstandsbestimmungen ein Fehler von ca. 12 km pro Tag anhäufen. Gewöhnliche GPS-Empfänger sind nicht mit einer Atomuhr ausgestattet, stattdessen wird die präzise Zeit am Empfangsort auch aus dem C/A-Code der empfangenen Satelliten bestimmt. Aus diesem Grund sind für eine 3D-Positionsbestimmung mindestens vier Satelliten erforderlich (vier Laufzeitsignale zur Bestimmung von vier Parametern, nämlich drei Ortsparametern und der Zeit). Weil alle Satelliten im Mittel den gleichen relativistischen Effekten ausgesetzt sind, entsteht hierdurch ein vernachlässigbarer Fehler bei der Positionsbestimmung, weil sich dieser Fehler nur über den Laufzeitunterschied auswirkt.[34] Berücksichtigt werden müssen jedoch noch die Abweichungen aufgrund zeitabhängiger Abstandsänderungen zum Erdzentrum durch die elliptische Bahnkurve.

Damit die Satellitensignale des GPS außer zur Positionsbestimmung auch als Zeitstandard verwendet werden können, wird der relativistische Gangunterschied der Uhren allerdings kompensiert. Dazu wird die Schwingungsfrequenz der Satelliten-Uhren auf 10,229999995453 MHz verstimmt, so dass trotz der relativistischen Effekte ein synchroner Gang mit einer irdischen Uhr mit 10,23 MHz gewährleistet ist. Weitere relativistische Effekte, wie zum Beispiel der Sagnac-Effekt, sind so klein, dass sie bei stationären Empfängern nicht gesondert berücksichtigt werden müssen.

Unter Selective Availability (SA), zu dt. etwa „wählbare Verfügbarkeit“, wird das Hinzufügen von pseudozufälligem Rauschen zu den Signalen für die Positionsbestimmung verstanden. Vor der Abschaltung dieser genauigkeitsverfälschenden Maßnahme am 2. Mai 2000[35] sollte damit verhindert werden, dass gelenkte Waffensysteme, die außerhalb des US-Militärs zum Einsatz kommen sollten, zur Zielführung mit einem frei erhältlichen GPS-Empfänger ausgestattet werden können. Vor dem Stichtag lag die Genauigkeit der zivilen GPS-Geräte bei etwa 100 Metern oder schlechter, danach bei 10 bis 15 Metern.

Die Überlagerung der durch verschiedene GPS-Empfänger ermittelten Wegstrecken auf dem Birkenkopf bei Stuttgart zeigt Unterschiede in der Genauigkeit auf (Breite des Ausschnitts ca. 400 m)

In der Berufsschifffahrt wie in anderen Gewerben galt GPS lediglich als Ergänzung zur terrestrischen und astronomischen Standortbestimmung. Grund war die unzureichende Zuverlässigkeit und der künstliche Fehler.

2006 entdeckte Alessandro Cerruti von der amerikanischen Cornell University, dass GPS durch Sonneneruptionen gestört werden kann. In den vergangenen Jahren waren diese – und die damit verbundenen geomagnetischen Stürme – wenig ausgeprägt.

GPS-Empfang kann aber auch durch starke Schneefälle gestört werden. Sonstige Wetterverhältnisse, wie Regen und Nebel, beeinträchtigen den Empfang normalerweise jedoch nicht – allerdings ist der Empfang unter regennassem Laub im Wald deutlich schlechter als bei trockener Witterung.

Da das GPS-System vom US-Militär betrieben wird, wird seine Genauigkeit für die Nutzung durch Dritte während militärischer Auseinandersetzungen der USA unter Umständen regional herabgesetzt. Dies ist einer der Gründe, warum andere Raumfahrtnationen eigene, von den USA unabhängige Navigationssysteme betreiben.

Zudem ist es auch möglich, den GPS-Empfang mit sogenannten GPS-Jammern (Störsendern) zu stören. Im Januar 2024 traten solche Störungen beispielsweise großflächig im Ostseeraum auf und behinderten dort den Flug- und Schiffsverkehr. Es wurde vermutet, dass ein Zusammenhang zum Ukraine-Krieg besteht.[37][38]

Die GPS-Technologie wird in der Wissenschaft für die Vermessung der Erdoberfläche eingesetzt. Für Aufsehen sorgte bspw. im Jahr 2019 eine Studie von Michael Bevis und Kollegen, in der aufgezeigt werden konnte, dass der grönländische Eisschild schneller abschmilzt und somit zu einem rascheren Meeresspiegelanstieg beiträgt als vorherige Berechnungen es noch aufgezeigt hatten; die Verfasser führten dies insbesondere auf die Überhitzung des Klimasystems der Erde zurück, die die Oberflächenmasse Grönlands nach Südwesten hin abschmelzen lässt – ein Effekt der in bisherigen Berechnungen kaum Berücksichtigung fand.[39] Ein vollständiges Abschmelzen des Grönlandeises würde den Meeresspiegel um ca. sieben Meter ansteigen lassen. Ohne Einsatz der GPS-Technologie war die Geschwindigkeit der Eisschmelze noch deutlich unterschätzt worden.

Einsatzmöglichkeiten im geschäftlichen, sicherheitstechnischen und medizinischen Umfeld sind zum Beispiel:

• Trace und Tracking zur Ermittlung und Speicherung von Routen und deren Zeit wie für ein elektronisches Fahrtenbuch.
• Lokalisation der Standorte von Mitarbeitern, Produkten oder Schutzbefohlenen wie Kinder, Kranke und ältere Menschen.
• Geofencing zur Verfolgung von Standorten und Geschehnissen in Echtzeit wie für den Personen- und Fahrzeugschutz bei Werttransporten.
• automatische Steuerung, Überwachung und Aufzeichnung von landwirtschaftlichen Geräten bei der Bestellung von großen Flächen, wobei heute viele Mähdrescher und ähnliche Fahrzeuge mit dieser Technik ausgerüstet sind.
• Auch die modernen Ausführungen der Elektronischen Fußfessel sind mit GPS ausgerüstet.

GPS-Datenlogger

GPS-Empfänger im Armbanduhrformat

GPS-Datenlogger (zur Erstellung von Tracks) und kleine Navigationsgeräte werden für Individualsport (Jogging, Radfahren, …) z. B. zur persönlichen Trainingsplanung und -überwachung zunehmend eingesetzt.

Für Sportwettkämpfe gilt, dass eine GPS-Kontrolle jedes Wettkämpfers (ähnlich dem auf Transpondertechnik basierenden ChampionChip-System) grundsätzlich technisch möglich ist, aber die breite Anwendung auf klassische Wettkampfformate (Breitensportveranstaltung) noch auf sich warten lässt. Am 1. Mai 2010 wurde der Dresdner 100km-Duathlon als erste Breitensportveranstaltung vollständig und systemidentisch GPS-aufgezeichnet.[40] Bei Sportartexoten wie Geocaching, Kitesurfen, Paragleiten und Segelfliegen hingegen wird eine GPS-Überwachung heutzutage schon durchgeführt.

Eine GPS-gestützte Wettkampfüberwachung bietet Vorteile, wie:

• Kontrollfunktion: Streckenkonformität (Kürzen die Sportler die vorgegebene Wettkampfstrecke ab?) Dieser Vorteil ist vor allem für den Veranstalter des Wettkampfes relevant.
• Erlebniswert: Nachvollziehbarkeit des Wettkampfgeschehens im Detail, schafft für die Sportler einen Mehrwert an der Sportveranstaltung.
• Liveübertragung: Voraussetzung dafür ist die direkte Übertragung der Geodaten und die Darstellung des Wettkampfes. Damit kann z. B. über das Internet eine breite Öffentlichkeit erreicht werden.

GPS-Geräte ermöglichen die Positionsbestimmung, im Gegensatz zu Kompassen, auch dann, wenn die Sichtbedingungen schlecht sind und das Gelände keine markanten Merkmale aufweist. Jedoch sind sie beim Bergsteigen und auf Skitouren problematisch, weil für die Einschätzung und die Bewältigung eines weglosen, technisch schwierigen Geländes gute Sicht oft unabdingbar ist. Auf den Landkarten – ob auf Papier oder auf dem GPS-Gerät gespeichert – sind die Eigenschaften des Geländes nur grob eingetragen. Zum Beispiel verändern sich Spalten, Bergschründe und Randkluften eines Gletschers Jahr für Jahr, und so bieten auch GPS-Tracks von früheren Touren keine zuverlässige Hilfe bei der Routenwahl. Aus diesem Grund darf man bei Nacht, Nebel, starkem Regen oder Schneefall nur dann unterwegs sein, wenn keine Gefahren drohen, oder wenn die Orientierung anderweitig gewährleistet ist, z. B. durch einen durchgehenden, gut sichtbaren Weg.

Garmin GPS IIplus bei einem Flug mit einem Motorschirm-Trike

Größter Profiteur des GPS ist die zivile Luftfahrt. Alle modernen Navigationssysteme sind GPS-gestützt, insbesondere in der Verkehrsluftfahrt sind jedoch weiterhin Systeme in Form von VOR- oder NDB-Empfängern und die Trägheitsnavigation üblich, das GPS nimmt hier in der Regel nur eine unterstützende Funktion ein.

Theoretisch, vorbehaltlich der Zulassung, erlauben die Genauigkeiten (P/Y-Signal) sogar automatische Landungen, sofern die Mittellinien der Landebahnen vorher genau vermessen wurden, d. h. die Koordinaten bekannt sind und zusätzlich DGPS eingesetzt wird. Einige unbemannte Luftfahrzeuge, wie EuroHawk benutzen dieses Verfahren. In der Verkehrsluftfahrt ist es zurzeit (Ende 2008) teilweise zugelassen. Ob ein Anflug nur mit dem GPS als Navigationssystem zugelassen ist, hängt von den Sichtbedingungen, dem genutzten System (GPS, DGPS) und der Ausrüstung von Luftfahrzeug und Landebahn ab. Eine Vorreiterrolle nehmen hier die Vereinigten Staaten ein, jedoch verbreiten sich GPS-gestützte Anflüge auch in Europa immer mehr.

Insbesondere in kleinen Luftfahrzeugen wie Segelflugzeugen oder Ultraleichtflugzeugen, die nicht über Funknavigationsempfänger verfügen, werden GPS-Empfänger gern eingesetzt. Da sich der Pilot durch die navigatorische Unterstützung stärker auf die Führung des Flugzeugs konzentrieren kann, erhöht dies auch die Sicherheit. Die alleinige Navigation nach GPS ist jedoch nicht zulässig, damit es bei einem Ausfall des Systems nicht zu gefährlichen Situationen wie Treibstoffmangel durch Verlust der Orientierung oder Einflug in freigabepflichtige Lufträume kommt.

Wie bei der Nutzung in Kraftfahrzeugen gibt es sowohl fest eingebaute Systeme, wie auch nachgerüstete Geräte. Insbesondere die Nutzung von PDAs mit angeschlossenen GPS-Mäusen nimmt im Freizeitbereich stark zu, da mit geringem Aufwand und Kosten ein leistungsstarkes Navigationssystem verfügbar ist.

Mobiles Navigationssystem für die Benutzung im Auto, Fahrrad oder zu Fuß (Größe: 10 cm breit, 7 cm hoch)

Hier handelt es sich um GPS-Geräte, die mit umfangreicher Landkarten- und Stadtplan-Software ausgestattet sind. Sie ermöglichen meist akustische Richtungsanweisungen an den Fahrer, der zum Beispiel am Beginn der Fahrt lediglich den Zielort wie z. B. Straßenname und Ort einzugeben braucht. Im Auto wird bei Festeinbauten ab Werk (siehe Infotainmentsystem) unterschieden zwischen Systemen, die Sprachausgabe mit Richtungsangaben auf einem LCD (meist im Autoradioschacht) kombinieren, sowie Sprachausgabe mit farbiger Landkartendarstellung, bei welcher der Fahrer besser räumlich sieht, wo er unterwegs ist.

In letzter Zeit haben PDA-, Smartphone- und mobile Navigationssysteme starken Zuwachs erhalten. Sie können flexibel in verschiedenen Fahrzeugen schnell eingesetzt werden. Meist wird die Routenführung grafisch auf einem Farbbildschirm mit Touchscreen dargestellt.

Bei den meisten Festeinbauten ab Werk sowie den neuesten PDA- und PNA-Lösungen werden Verkehrsmeldungen des TMC-Systems, wonach der Fahrer automatisch an Staus oder Behinderungen vorbeidirigiert werden soll, mit berücksichtigt.

Festeingebaute Systeme sind in der Regel zwar erheblich teurer als mobile Geräte in Form von z. B. PDAs, haben jedoch den Vorteil, dass sie mit der Fahrzeugelektronik gekoppelt sind und zusätzlich Odometrie-Daten wie Geschwindigkeit und Beschleunigung verwenden, um die Position präziser zu bestimmen und auch noch in Funklöchern wie z. B. Tunneln eine Position ermitteln zu können.

Der Vorteil der stark zunehmenden Navigation in Autos liegt darin, dass der Fahrer sich ganz auf den Verkehr konzentrieren kann. Theoretisch kann der Treibstoffverbrauch um 1–3 % gesenkt werden, wenn alle Fahrer den optimalen Weg wählen.

GPS kann zur Diebstahlsicherung genutzt werden. Hierzu wird die GPS-Anlage z. B. des Fahrzeuges mit einem GSM-Modul kombiniert. Das Gerät sendet dann, im Falle eines Fahrzeugdiebstahls, die genauen Koordinaten an einen Dienstleister. In Verbindung mit einem PC kann dann z. B. über das Internet sofort die entsprechende Straße und der Ort abgelesen und die Polizei alarmiert werden.

Den großen Unterschied macht jedoch heute in miteinander vergleichbaren Systemen weniger die Technik, sondern vielmehr das jeweilige Navigationsprogramm und dessen benutzter Datenbestand aus. So gibt es derzeit von Programm zu Programm noch durchaus Unterschiede in der Routenführung.

On-Board-Unit

Analog zur Nutzung der GPS-Daten in PKWs z. B. für Navigationssysteme, werden die Daten bei Omnibussen und Lastkraftwagen auch für Telematik- und Überwachungssysteme genutzt. Hierbei werden die Daten über das Mobilfunknetz auf die Server eines Dienstanbieters übertragen und der jeweiligen Disposition, sowie teilweise auch -so weit Zugriff gewünscht bzw. eingeräumt wird- den Auftraggebern zur Verfügung gestellt.

Digitaler Tachograph (mit Detailbeschriftungen)

Des Weiteren werden bei Fahrzeugen (LKW), die zur Erhebung der LKW-Maut mit einer sog. On-Board-Unit ausgestattet sind die GPS-Daten zur Abrechnung verwendet. Wobei die GPS-Positionsdaten über das Mobilfunknetz auf den Zentralserver des Anbieters Toll Collect übertragen werden, wo die Berechnung aufgrund der dort zum Fahrzeug hinterlegten übrigen Fahrzeugdaten, wie Schadstoffklasse erfolgt. Die Berechnung erfolgt nicht mehr, wie das zur Anfangszeit noch üblich war, auf dem Fahrzeug bzw. der On-Board-Unit, wodurch seither auch keine konkreten Abrechnungsbeträge mehr angezeigt werden.

Mit Einführung der 4. Generation der digitalen Tachographen (EU Mobilitätspaket I) werden die GPS-Daten und parallel auch die Daten des europäischen Satellitenortungssystems Galileo auch zur Überwachung der Vorschriften des Güterkraftverkehrs gespeichert. Damit können Kontrollbehörden, wie BAG und Polizei genaue Fahrtrouten des zu kontrollierenden Fahrzeugs nachvollziehen.[41]

GPS-Geräte eignen sich zum Einsatz am Fahrrad, beim Wandern (zum Beispiel als kompaktes Gerät am Handgelenk) oder im Flugzeug. Der Funktionsumfang der im Handel erhältlichen Geräte richtet sich nach Anwendungsbereich und Preis. Schon einfache Geräte können heute nicht bloß die Längen- und Breitengrade anzeigen, sondern auch Richtungsangaben machen, Entfernungen berechnen und die aktuelle Geschwindigkeit angeben. Die Anzeige kann so eingestellt werden, dass ein Richtungssymbol ausgegeben wird, das in die Richtung zeigt, die vom Benutzer durch die Eingabe der Zielkoordinaten (Wegpunkt) angegeben worden ist. GPS-Geräte stellen hier eine Weiterentwicklung der klassischen Navigation mit Kompass und Karte dar. Diese Funktion wird beim Geocaching benötigt. Hochwertige, moderne Geräte können neben Wegpunkten, Routen und Track Logs auch digitale Karten speichern und damit den aktuellen Standort auf einer Karte darstellen. Für den Außenbereich liegen für verschiedene Länder topografische Karten im Maßstab 1:25.000 zur Nutzung mit dem GPS vor.

Wenngleich die Outdoor-GPS-Geräte dafür nicht primär gedacht sind, können selbst kleine Armbandgeräte in Autos oder in der Bahn (Fensterplatz, ggf. im Wagenübergang) verwendet werden; der Empfang in Gebäuden ist jedoch mit diesen Geräten gewöhnlich nicht möglich.

2018 werden in Bayern, Tirol und der Schweiz Geräte zur Ortung von Kühen auf Weiden entwickelt und getestet, um Kuhglocken zu ersetzen.[42]

Spezielles Foto-GPS auf GPS-fähiger Kamera

Foto-GPS als Universalmodell für alle Kameras mit Blitzschuh (außer Sony)

GPS-Empfänger werden in der Fotografie eingesetzt, ähnlich den Geräten für den Einsatz im Freien. Bei der Aufnahme werden die aktuellen Koordinaten (Geo-Imaging, Geotagging, Georeferenzierung[43]) in die Exif-Daten des Bildes eingebracht und mit dem Bild gespeichert.

Einige GPS-Empfänger unterstützen die Ermittlung und Speicherung der Ausrichtung (Blickrichtung der Kamera zum Zeitpunkt der Aufnahme). Dies ist allerdings nicht immer sinnvoll, da die Möglichkeit besteht, den GPS-Empfänger zum Beispiel am Trageband der Kamera zu montieren statt auf dem Blitzschuh, wenn dieser zum Beispiel für den Blitz verwendet wird. Damit ist dann keine sichere Angabe der Richtung zu treffen.

Beeinträchtigungen des GPS-Empfangs bei nicht hinreichend freier Sicht zum Himmel, setzten der Genauigkeit von GPS je nach Bebauung, Baumbewuchs usw. in der Fotografie erhebliche Grenzen. Die Tatsache, dass viele GPS-Empfänger im Zweifelsfall die letzte bekannte Position weiter verwenden, erfordert es, sich dieser Randbedingungen bewusst zu sein und ggf. die EXIF-Daten nachträglich am PC zu korrigieren.

Ein breites Angebot von GPS-Geräten ist auf die besonderen Anforderungen der Navigation in der Seefahrt zugeschnitten. GPS gehört heute zur Grundausstattung eines Schiffes, meist als Kartenplotter, bei dem der über GPS ermittelte Schiffsort in Echtzeit auf einer Elektronischen Seekarte angezeigt wird. Mobile GPS-Empfänger gibt es seit den 1980er Jahren. Mit einem Navigationsprogramm und einer GPS-Maus kann auf dem PC, Notebook oder PDA navigiert werden; heute sind die meisten Mobiltelefone GPS-fähig. In der Großschifffahrt werden integrierte elektronische Informations-, Navigations- und Schiffssteueranlagen (ECDIS) verwendet. Die für die Seenavigation bestimmten Geräte verfügen in der Regel über eine Kartenanzeige („Moving Map“) mit speziellen, elektronischen Seekarten in verschlüsselten Formaten. OpenSeaMap verwendet ein freies Format. Viele der Geräte sind wasserdicht gebaut; anspruchsvollere ermöglichen die kombinierte Darstellung der Seekarten mit weiteren Daten wie Wetterkarten oder Radardarstellungen. Beim Automatischen Identifikationssystem (AIS) dient das GPS neben der Positionsermittlung als Zeitbasis für die Koordinierung der Sendefolge.

In Gebäuden ist der GPS-Empfang generell reduziert bis unmöglich. Im konkreten Fall hängt es neben den verwendeten Baustoffen im Gebäude und deren Dämpfungsverhalten vom Standort innerhalb eines Gebäudes ab. In Fensternähe bzw. in Räumen mit großen Fenstern und freier Sicht auf den Himmel kann je nach momentaner Satellitenposition durchaus noch eine Standortbestimmung mit reduzierter Genauigkeit möglich sein. In abgeschatteten Räumen wie beispielsweise Kellern ist der GPS-Empfang praktisch immer unmöglich.

Mit neueren Empfänger-Chipsätzen der Firma SiRF (etwa SiRF Star III) oder der Firma u-blox (z. B. u-blox-5) ist in manchen Situationen wie in Gebäuden ein GPS-Empfang durch in Hardware massiv parallelisierte Korrelationsempfänger möglich. Statt wie bei herkömmlichen GPS-Empfängern die Korrelationen der Codefolgen (CDMA) zeitlich hintereinander durchzuprobieren und sich nur auf einen Empfangsweg festlegen zu können, werden bei diesen Chipsätzen 204.800 Korrelationsempfänger (SiRF Star III) parallel eingesetzt und zeitgleich ausgewertet. Damit kann der Mehrwegeempfang reduziert werden, und in Kombination mit einer gesteigerten Eingangsempfindlichkeit des HF-Eingangsteils können die an Wänden oder Böden reflektierten GPS-Funksignale unter Umständen im Inneren von Gebäuden oder engen Gassen in dicht verbauten Gebieten noch ausgewertet werden. Allerdings ist bei indirektem Empfang von GPS-Signalen über Reflexionen eine Reduktion der Genauigkeit verbunden, da das Signal dann eine längere Laufzeit aufweist und die genauen zeitlichen Bezüge nicht mehr passen. Der zusätzliche Fehler über Mehrwegeempfang kann einige 10 m betragen.

Die Verwendung von GPS bei strafrechtlichen Ermittlungen in Deutschland ist legal. Der Europäische Gerichtshof für Menschenrechte (EGMR) wies am 2. September 2010 die Klage eines einstigen Mitglieds der linksextremistischen „Antiimperialistische Zellen“ (AIZ) ab. Damit hat der EGMR die Einschätzung des Bundesverfassungsgerichts bestätigt, das am 12. April 2005 (2 BvR 581/01) so geurteilt und die Beschwerde von Bernhard Uzun zurückgewiesen hatte.[44]

Der EGMR wies in seinem Urteil darauf hin, dass mit der Überwachung weitere Bombenanschläge verhindert werden sollten. „Sie diente damit dem Interesse der nationalen und öffentlichen Sicherheit, der Vorbeugung von Verbrechen und dem Schutz der Rechte der Opfer.“[45]

Bei Fahrzeugortungen werden versteckte GPS-Ortungsgeräte sowohl von den Behörden als auch von privaten Ermittlern verwendet. Diese Ortungsgeräte sind sehr klein und werden magnetisch am Unterboden der Fahrzeuge in wenigen Sekunden angebracht. Sie funktionieren wochenlang ohne externe Stromquelle. Die Ortungsdaten werden entweder per Funk live übertragen oder aufgezeichnet.

GPS-Referenzpunkt vor dem Landratsamt nahe dem Archäologischen Landesmuseum in Konstanz