Die geodätischen GNSS-Messungen basieren auf einer entsprechenden Nutzung der Signale eines oder mehrerer Globalen Satellitennavigationssysteme (GNSS - Global Navigation Satellite System). Ein GNSS ist ein System zur Positionsbestimmung und Navigation auf der Erde und in der Luft durch den Empfang spezieller Signale von Navigationssatelliten.
Das weltweit wichtigste und am meisten verbreitete Satellitennavigationssystem ist das amerikanische GPS (Navigational Satellite Timing and Ranging - Global Positioning System = NAVSTAR GPS), das seit den 1970er-Jahren vom US-Verteidigungsministerium entwickelt wurde. Am 17. Juli 1995 wurde GPS offiziell in Betrieb genommen.
GPS basiert auf einem weltumspannenden Netz von mindestens 24 Satelliten (zurzeit etwa 30 mit Reservesatelliten), die mit codierten Radiosignalen ständig ihre aktuelle Position und die genaue Uhrzeit ausstrahlen. Aus den Signallaufzeiten können spezielle GPS-Empfänger dann ihre eigene Position berechnen. Theoretisch benötigt werden dazu Signale von drei Satelliten, da daraus die genaue Position und Höhe des Empfängers bestimmt werden kann. Aus den Laufzeiten der Signale können nämlich (Pseudo-)Entfernungen zu den Satelliten ermittelt werden. Jede dieser Entfernungen definiert eine Kugelfläche um den zugehörigen Satelliten, auf der sich der Empfänger befindet. Drei Kugelflächen schneiden sich dann in maximal zwei Punkten. Einer davon befindet sich einige tausend Kilometer von der Erdoberfläche entfernt und kann somit verworfen werden; der andere stellt die gesuchte Position des Empfängers dar. In der Praxis haben aber GPS-Empfänger keine ausreichend genaue Uhr, um die Laufzeiten der Signale korrekt messen zu können. Deshalb wird das Signal eines vierten Satelliten benötigt, mit dem dann auch die genaue Zeit im Empfänger und damit auch die Laufzeit des Signals also letztlich die Entfernung bestimmt werden kann.

Die nachfolgenden Abbildungen zeigen auf dem Sonderstempel die 6 Umlaufbahnen der GPS-Satelliten, die um die Erde einen "Käfig" bilden, sowie auf der Briefmarke einen GPS-Satelliten der älteren Bauart (es gibt mehrere technische Modelle der GPS-Satelliten). /Zum GNSS siehe auch hier/:

SoSt. Österreich [1994]      Bfm. Ciskei [1982] (Mi )

Das Absenderfreistempel des Thüringer Landesamtes für Vermessung und Geoinformation zeigt im Abbildungsteil symbolisch einen Navigationssatelliten auf seiner Umlaufbahn um die Erde:

Außer dem weltweit am meisten verbreiteten GPS-System befindet sich seit Jahren auch ein russisches Navigationssystem - GLONASS - im Betrieb. Die Entwicklung des Systems begann 1972. Die ersten drei Satelliten starteten am 12. Oktober 1982, das System ist am 24. September 1993 offiziell als betriebsbereit erklärt worden. Der Vollausbau, bestehend aus 21 Standard- und 3 Reservesatelliten, wurde 1996 erreicht. In den Folgejahren ging die Anzahl funktionstüchtiger Satelliten zurück, aber ab 2011 steht wieder ein vollständiges GLONASS-System zur Verfügung. Die Satelliten umlaufen die Erde auf in drei Bahnebenen mit 64,8° Neigung gegen den Äquator (GPS 55°). Die beträgt Bahnhöhe 19.100 km (GPS 20.200 km). Die Umlaufzeit liegt bei 11:15 Stunden (GPS 11:58).





Weitere moderne Systeme werden zurzeit u.a. von den Europäern (Galileo), Chinesen (Compass) und Indern (IRNSS) aufgebaut bzw. geplant. Die nachfolgende französische Briefmarke zeigt die Umlaufbahnen und einen Satelliten des Galileo-Systems. Die ersten beiden operativen Satelliten wurden am 21. Oktober 2011 in ihre Umlaufbahn gebracht.

TAAF [2012] (Mi )

Als Anwendungsbereich von GPS war zunächst nur die einige Meter genaue Positionsbestimmung und Navigation im militärischen Bereich vorgesehen. Heute wird die GPS-Positionsbestimmung jedoch sehr breit oder fast schon überwiegend im zivilen Bereich genutzt: z.B. in der zivilen Seefahrt und Luftfahrt, als Navigationssysteme im Auto, zur Positionsbestimmung und -verfolgung im ÖPNV und in der Logistik- sowie Speditionsbranche, zur Orientierung im Outdoor-Bereich, zur Steuerung der Maschinen in der Landwirtschaft, in Mobiltelefonen und PDAs oder im Hobbybereich (Geocaching, Sport, Fotografie).

Sehr frühzeitig wurden auch Verfahren entwickelt, um die Möglichkeiten des GPS fürs Vermessungswesen zu nutzen. Dazu waren aber Methoden erforderlich, um mit Hilfe der GPS-Signale eine viel höhere Genauigkeit zu erzielen, als es bei der herkömmlichen Anwendung der Fall ist (hier nur Metergenauigkeit). Die für die Vermessung erforderliche Genauigkeit im cm-Bereich war zunächst nur bei der relativen Positionsbestimmung (sog. Basislinienmessung zur Bestimmung von Koordinatendifferenzen zwischen Punkten) oder bei der absoluten Positionsbestimmung im sog. Postprocessing möglich. Somit war das Vermessungswesen eines der ersten zivilen Einsatzgebiete von GPS.
Durch den Einsatz von Differential Global Positioning System (DGPS) - eines Verfahrens, bei dem entsprechende Korrekturdaten von terrestrischen Referenzstationen ausgestrahlt werden (errechnet aus der Abweichung der genau bekannten tatsächlichen und der empfangenen Position der Station), konnte die Genauigkeit der GPS-Positionsbestimmung auch in Echtzeit deutlich gesteigert werden und somit auch geodätischen Zwecken genügen. Viele Länder haben inzwischen entsprechende Netze von terrestrischen DGPS-Referenzstationen aufgebaut.
In Deutschland haben die Vermessungsverwaltungen der Länder seit 2003 ein Satellitenpositionierungsdienst der deutschen Landesvermessung - SAPOS - aufgebaut, mit deren Hilfe man bei den GPS-Messungen in Echtzeit Lagegenauigkeiten von 1-2 cm und in Postprocessing Milimetergenauigkeiten erreichen kann. Zur Berechnung der Korrekturdaten der ca. 270 permanenten SAPOS-Referenzstationen werden sowohl die GPS- als auch die GLONASS-Satelliten benutzt.

Bei der Messung mit Hilfe eines GNSS-Empfängers auf einem Messpunkt werden direkt seine dreidimensionalen Raumkoordinaten in einem globalen Koordinatensystem des jeweiligen Navigationssystems bestimmt (beim GPS ist das z.B. das Koordinatensystem WGS84). Aus den Raumkoordinaten können auch direkt die geographischen Koordinaten (die geographische Länge und geographische Breite) sowie die Höhe über dem definierten Bezugsellipsoid berechnet werden. Ferner können daraus die zweidimensionalen Koordinaten der Meßpunkte auf der Bezugsfläche oder aber auch die Strecken und Richtungen zwischen Meßpunkten abgeleitet werden.

Die meisten geodätischen GNSS-Empfänger arbeiten heute mit dem GPS-System und empfangen nur seine Signale (GPS-Empfänger). Aber es kommen auch immer mehr Empfänger zum Einsatz, die gleichzeitig die Satellitensignale von mehreren Navigationssystemen empfangen und verarbeiten können, was die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Koordinatenbestimmung erhöht. In der Regel sind das die seit Jahren funktionsfähigen Systeme GPS und GLONASS. Es werden aber z.B. auch Empfänger vertrieben, die schon auf das kommende europäische Navigationssystem Galileo vorbereitet sind.
Mit Hilfe der GPS-(GNSS)-Empfänger kann überall dort gearbeitet werden, wo entsprechende Himmelsfreiheit vorhanden ist, um die Satellitensignale empfangen zu können. Im Vermessungswesen wird GPS heutzutage in vielen Bereichen breit eingesetzt, angefangen mit Landesvermessung über Katastervermessungen bis hin zu Bau- und Ingenieurvermessungen. Wie die nachfolgenden Briefmarken zeigen, bringt der Einsatz von GPS auch große Vorteile bei Vermessungen zu Forschungszwecken in den Polargebieten:

Australisches Antarktis-Territorium - AAT [] (Mi )

Die BAT-Briefmarke zeigt einen geodätischen GPS-Empfänger auf dem Stativ sowie einen weniger genauen Handheld-GPS-Empfänger zur groberen Positionsbestimmung bzw. Navigation:

Britisches Antarktis-Territorium - BAT [] (Mi )

Die TAAF-Briefmarke von 2010 zeigt einen GPS-Empfänger auf Stativ, aufgerüstet mit einem Windsegel (oben) und einer Solarpanel zur unabhängigen Versorgung mit Solar- und Windenenergie. So ausgerüstete GPS-Empfänger wurden zur Messung der Kalbung der Mertz-Gletscherzunge in der Antarktis im Rahmen des CRAC-ICE-Programms verwendet (Collaborative Research into Antarctic Calving and Iceberg Evolution):

Französische Süd- und Antarktisgebiete - TAAF [2010] (Mi )

Auch der argentinische Briefmarkenblock zeigt eine GPS-Empfangsantenne auf Stativ:

Argentinien [2011] (Mi )

(Mi )

Die malaische Marke zeigt einen Polarforscher mit einer GPS-Antenne der Firma Trimble:

Malaysia [2012] ( Mi )

Die koreanische Briefmarke von 2014 zur Katasterneuvermessung zeigt u.a. einen GPS-Empfänger als ein modernes Vermessungsinstrument:

Katasterneuvermessung - moderne Vermessung, Südkorea [2014]

Japan [2019]

Chinesischer GPS-Empfänger bei der Höhenbestimmung von Mount Everest in 2020:

China [2020]