Wie funktioniert GPS?

: Outdoor Navigation mit einem Smartphone

GPS Systeme
GPS steht für Global Positioning System, d.h. für Globales Positionierungssystem und meint damit ein System zur Bestimmung der eigenen Position mit Hilfe von Satelliten. Im engeren Sinne ist mit GPS das US-amerikanische System gemeint, das NAVSTAR-System, das heute sowohl von den GPS-Geräten in Autos als auch von mobilen Geräten auf einer Wandertour verwendet wird. Ursprünglich war das Ziel eines solchen Systems ein militärisches, insbesondere für Waffensysteme, Kriegsschiffe oder Kampfflugzeuge. Es wurde durch das amerikanische Verteidigungsministerium aufgebaut und diente zur weltweiten Positionsbestimmung. Start des ersten Satelliten war bereits im Jahre 1978, doch die offizielle Inbetriebnahme fand erst 1995 statt. Weitere GPS-Systeme sind z.B. das russische GLONASS oder das im Aufbau befindliche europäische Galileo.

Wo wird GPS eingesetzt?
Die Einsatzgebiete von GPS sind vielfältig und aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Nicht nur der Straßenverkehr hat durch den Einsatz von Navigationssystemen einen grundlegenden Wandel erfahren.

Sogenannte Location Based Services basieren auf der Verknüpfung von ortsbezogenen Daten mit Informationssystemen. Dynamische Verortungen sind immer gps-basiert.

Auch im privaten Bereich hat GPS Einzug gehalten, der wichtigste Einsatzfindet sich im Freizeitbereich als Orientierungshilfe auf Wanderungen, Radtouren und allen anderen Freizeitaktivitäten.

Wie funktioniert GPS?
An einem GPS System sind vier Elemente beteiligt:

1. Satelliten im Weltraum,
2. Bodenstationen als Kontroll-Segment,
3. geostationäre Satelliten mit Korrektursignalen und
4. das GPS Gerät des Benutzers.

: Satelliten umkreisen die Erde

1. Satelliten im Weltraum

Zum NAVSTAR-System gehörten zunächst nur 24 Satelliten auf 6 Umlaufbahnen. Dies garantierte, dass sowohl an den Polen als auch am Äquator das Signal von mindestens 3 Satelliten empfangen werden konnte. Sobald ein Satellit am Horizont für den Betrachter untergeht (für das Auge jedoch unsichtbar), geht ein neuer Satellit auf. Heute werden 4 Satelliten garantiert. Die Satelliten befinden sich in relativ geringer Höhe (nur ca. 20.000 km), so dass ihre Signale auch mit kleinen Empfangsgeräten aufgefangen werden können. Die Signale werden in Form von Radiowellen (Funk) ausgesendet. Sie enthalten die Information über die Position des Satelliten und seine Uhrzeit.

2. Bodenstationen als Kontroll-Segment

Es gibt 5 Bodenstationen als stationäre Empfangsstationen, die die Satellitenbahnen und die Uhrzeit der Satelliten überwachen und korrigieren. 4 Stationen befinden sich am Äquator, die Mutterstation ist in Colorado.

: DGPS: Korrektursignale werden an den Empfänger gesendet

3. Geostationäre Satelliten mit Korrektursignalen

Eine weitere Genauigkeit wird durch Erweiterungssysteme wie das europäische EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), das US-amerikanische WAAS (Wide Area Augmentation System), das japanische MSAS und das indische GAGAN erreicht. Geostationäre Satelliten, d.h. Satelliten, die ihre Position nicht ändern, senden Korrektursignale hinsichtlich Satellitenbahn, Zeitsystem und Atmosphäre ab. Diese Systeme werden auch DGPS genannt, Differential Global Positioning System. Leider stehen die Satelliten sehr flach am Horizont, so dass sie oft in der privaten Nutzung nicht empfangen werden können. EGNOS steht seit 2006 zur Verfügung.

4. Das GPS Gerät des Benutzers

Das GPS Gerät des Benutzers wertet die Signale der NAVSTAR Satelliten aus und berücksichtigt die Korrektursignale von z.B. EGNOS. Dazu benötigt das Gerät eine Antenne, eine Quarzuhr, etwas Speicher und einen Prozessor zum Rechnen.

Positionsbestimmung

GPS Geräte ermitteln die Entfernung zu allen Satelliten. Dazu wird die Zeit bestimmt, die die Radiowellen vom Satelliten bis zum Gerät brauchen. Wichtig ist, dass die Uhren von Gerät und Satellit exakt sind, denn im Schnitt ist die Laufzeit nur ca. 0,07 Sekunden.

Aus Entfernung und Position zu einem Satelliten kann dann ein grober Standort bestimmt werden. Je mehr Satelliten zur Verfügung stehen, desto genauer wird die Position des Benutzers eingegrenzt. Für eine genaue Standortbestimmung sind vier Satelliten nötig.
Zusätzlich kann die Geschwindigkeit des Benutzers und die Bewegungsrichtung ermittelt werden. Damit erhält man einen künstlichen Kompass.

Wie genau ist ein GPS?

Wer sich fragt: " Wie funktioniert GPS ? " ist vor allem auch an der Positionsgenauigkeit interessiert. Diese wurde in Europa durch EGNOS von bisher rund 10 - 20 Metern auf 1 - 3 Metern gesteigert. Vor Mai 2000 waren es nur ca. 100 Meter, da das US-Militär eine Störung geschaltet hatte.

Ungenaue Positionsbestimmung:

Wolken und Nebel werden von den Signalen problemlos durchdrungen, nicht aber Holz, Fels, Ziegel, Beton oder Metall. Hier hilft es z.B. im Gebäude ans Fenster zu gehen, in die Mitte einer engen Schlucht oder an den Waldrand. In Tunneln oder Tiefgaragen wird in der Regel kein Signal empfangen.
Reflektion der Signale an Gebäuden, Waldrand oder Felsen können sehr große Positionsungenauigkeiten hervorrufen. Deshalb in die Mitte einer Lichtung oder einer Straßenschlucht treten.
Die Satelliten sollten für eine gute Positionsbestimmung gleichmäßig am Himmel verteilt sein. Sind mehrere Satelliten eng beisammen oder stehen sie in einem Tal alle hintereinander, wird die Position sehr ungenau. GPS Geräte geben aber in der Regel an, wie genau die Bestimmung gerade ist.

Die Atmosphäre verzögert die Ausbreitung der Signale. Dadurch entsteht eine Ungenauigkeit in der Laufzeit. Sowohl die Geräte selber als auch EGNOS korrigieren allerdings diesen Effekt.
Die Ungenauigkeit von Satelliten-Atomuhr und Quarzuhr im GPS wie auch die Schwankung der Satellitenbahnen können sehr kleine Ungenauigkeiten hervorrufen (ca. 1-2 Meter)

Was bringt Galileo?
Galileo ist der im Aufbau befindliche europäische Bruder des amerikanischen NAVSTAR-Systems, welches aktuell von allen gängigen GPS-Geräten genutzt wird. Galileo soll voraussichtlich 2018 mit 30 Satelliten an den Start gehen. Damit stünde ein vom US-Militär unabhängiges System zur Verfügung, das zudem noch genauer sein soll.

http://www.magicmaps.de/produktinfo/anwendung/wie-funktioniert-gps.html