Was genau ist GPS?

Du hast bestimmt schon oft den Begriff GPS gehört. Was GPS genau ist, was es bedeutet, wie es funktioniert und wo es eingesetzt wird, erklären wir dir in diesem Artikel.

Was ist GPS?

Das Global Positioning System (GPS) ist eine satellitenbasierte Funknavigationstechnik, das vom US-Verteidigungsministerium 1970 entwickelt wurde. GPS sollte ursprünglich zur Positionsbestimmung und Navigation im militärischen Bereich (in Waffensystemen, Kriegsschiffen, Flugzeugen) dienen und so dem US-Militär einen entscheidenden Vorteil für in der Kriegsführung bringen. Die Offizielle Bezeichnung lautet NAVSTAR GPS. Auf deutsche übersetzt lautet der Name Globales Positionsbestimmungssystem. Nach der Veröffentlichung löste GPS 1985 das alte Satellitennavigationssystem NNSS (Transit) der US-Marine ab, sowie die Vela-Satelliten, die zur Ortung von Kernwaffenexplosionen konzipiert wurden.

GPS ist heute der Standard in der Satellitennavigation. Damit arbeiten so gut wie alle Navigationssysteme von Schiffen, Flugzeugen und Autos. Viele mobile Geräte sind damit ausgestattet und auch die meisten Drohnen. Konkurrenten sind das russische Glonass, das chinesische Beidou und bald auch das europäische System Galileo.

Mit GPS-Signalen kann nicht nur die Position bestimmt-, sondern auch die Geschwindigkeit des Empfängers ermittelt werden. Selbst die Bewegungsrichtung des Empfängers kann angezeigt werden und somit ist es möglich, GPS auch als künstlichen Kompass oder zur Ausrichtung von elektronischen Karten zu benutzten.

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
4. Das GPS-Gerät des Benutzers

GPS basiert deshalb auf mindestens 4 Satelliten, die ständig Radiosignale mit ihrer sich ändernden Position und der genauen Uhrzeit ausstrahlen. Aus der ermittelten Signallaufzeit können GPS-Empfänger ihre eigene Position berechnen. Um Ausfällte von GPS zu vermeiden drehen bis zu 31 Satelliten gleichzeitig ihre Runden im Weltall. In einer Höhe von ca. 20.000 Metern umkreisen die Satelliten die Erde jeden Sterntag (23 Stunden und 56 Minuten) zweimal.

In der Theorie würde jede dieser Entfernungen eine Kugeloberfläche um den zugehörigen Satelliten definieren. Zwei Kugeln schneiden sich in einem Kreis und drei Kugeln ergeben maximal zwei Punkte als Schnittmenge. Der Schnittpunkt von vier Kugeloberflächen ergibt maximal einen gültigen Punkt und somit den Standort des Empfängers. (Quelle – www.outdoor-renner.de/blog/was-ist-gps.)

Eine exakte Synchronisation der Uhren von allen Satelliten und des GPS ist essenziell notwendig. Durch die kurze Laufzeit des Radiosignals vom Satelliten zum GPS-Gerät auf der Erde (1/15 Sekunden), hätte schon die kleinste Abweichungen einen großen Fehler bei der Positionsbestimmung zur Folge. In allen Satelliten sind Atomuhren verbaut um die weniger exakte Quarzuhr im Endgerät rund um die Uhr zu synchronisieren.

Genauigkeit von GPS

Ab den 1970 Jahren lag die Genauigkeit bei der Positionsbestimmung mit GPS-Geräten bei 100 Metern. Damals wurden die Satelliten vom US-Militär so konfiguriert, dass sie für die zivile Bevölkerung mit einer künstlichen Ungenauigkeit arbeiteten (Standard Positioning Service). Im Mai 2000 wurde die künstliche Ungenauigkeit vom US-Militär behoben, um GPS für die globale Bevölkerung deutlich nützlicher zu machen. Seitdem beträgt die Genauigkeit ca. 5 – 10 Meter. Wer eine noch exaktere Positionsbestimmung benötigt kann durch den Einsatz von DGPS (Differential-GPS mit zusätzlichem Empfänger), eine Genauigkeit von 0.01 – 5 Metern erreichen.

Fehlerquellen

Satellitenfehler: 

• Gravitationseffekte (Einfluss auf die hochgenauen Atomuhren, Abweichungen 10-100 Metern)
• Satellitengeometrie, d.h. Position der Satelliten zueinander (PDOP, Abweichungen 5-10 Meter)
• Ephemeridenfehler, Abweichungen 5-10 Meter – Abweichungen zwischen berechneter und tatsächlicher Satellitenlaufbahn

Atmosphärische Fehler (Laufzeitfehler in der Tropo- und Ionosphäre, Abweichungen bis zu 150 Metern):

Satellitensignale werden an den einzelnen Schichten der Atmosphäre gebrochen. Die atmosphärische Refraktion beeinflusst die Geschwindigkeit und Richtung des Signals. Durch diese Reaktion werden die größten Ungenauigkeiten hervorgerufen, da Abweichungen von weit über 100 Metern möglich sind. Dutzende Korrekturdienste wie EGNOS und WAAS, die praktisch jeder GNSS-Empfänger nutzt, korrigieren diesen Negativ-Effekt fast komplett.

Empfängerfehler:

Der GPS-Empfänger ermittelt die Entfernung zu allen Satelliten, dessen Signal er gut empfangen kann. Hier wird die Zeit berechnet, wie lange die Radiowellen vom Satelliten bis um Empfänger brauchen. Am Ende wird die Signalausbreitungsgeschwindigkeit multipliziert und ergibt dann die Entfernung zwischen Sender und Empfänger.

Transformationsfehler:

Dieser Fehler tritt nicht bei der Messung selbst, sondern bei der Auswertung der gemessenen Daten sehr häufig auf. Ein GSS-System gibt Positionsdaten aus, die Geographische Koordinatenen im Dezimalgradformat darstellen. Um diese Positionsdaten auf einer Karte darzustellen, die ein anderes Koordinatensystem und einen anderen Referenzellipsoiden beziehen, muss ein Koordinatentransformation erfolgen. Um dies zu bewerkstelligen ist ein sehr hohes Maß an Sachkenntnis erforderlich. Oft entstehen gerade auf älteren Landkarten Abweichungen von bis zu einigen 100 Metern. (Quelle – https://www.magicmaps.de/produktinfo/gps-grundlagen/wie-funktioniert-gps.html)

Korrekturdienste

Es gibt verschiedene Korrekturdienste wie EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), das US-amerikanische WAAS (Wide Area Augmentation System), das japanische MSAS, das europäische EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) und das indische GAGAN. Da dieser Themenschwerpunkt relativ groß und komplex ist, haben wir uns entschlossen ihn nicht in diesem Artikel zu behandeln.
Wenn dich das Thema interessiert, kannst du hier mehr darüber erfahren.