Was ist GPS?

Das Global Positioning System (GPS) ist ein globales Navigationssatellitensystem, das die Synchronisierung von Standort, Geschwindigkeit und Zeit ermöglicht.

GPS ist überall. Sie finden GPS-Systeme in Ihrem Auto, Ihrem Smartphone und Ihrer Uhr. GPS hilft Ihnen, von Punkt A zu Punkt B zu gelangen. Was ist GPS? Lesen Sie diesen Artikel, um mehr über seine Funktionsweise, seine Geschichte und zukünftige Fortschritte zu erfahren.

Was ist GPS und wie funktioniert es?

Das Global Positioning System (GPS) ist ein Navigationssystem, das Satelliten, einen Empfänger und Algorithmen verwendet, um Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitdaten für Luft-, See- und Landreisen zu synchronisieren.

Das Satellitensystem besteht aus einer Konstellation von 24 Satelliten in sechs Erdumlaufbahnen mit jeweils vier Satelliten, die mit einer Geschwindigkeit von 3,9 km/s in einer Entfernung von 20.000 km die Erde umkreisen.

Obwohl wir nur drei Satelliten benötigen, um eine Position auf der Erdoberfläche zu erzeugen, wird häufig ein vierter Satellit verwendet, um die Informationen der anderen drei zu validieren. Außerdem versetzt uns der vierte Satellit in die dritte Dimension und ermöglicht es, die Höhe eines Geräts zu berechnen.

Welches sind die drei Elemente von GPS?

GPS besteht aus drei verschiedenen Komponenten, den so genannten Segmenten, die zusammen Standortinformationen liefern.

Die drei GPS-Segmente sind:

• Weltraum (Satelliten): Die Satelliten, die die Erde umkreisen, übertragen Signale zur geografischen Position und Uhrzeit an Benutzer.
• Bodenkontrolle: Das Kontrollsegment besteht aus Überwachungsstationen, Hauptsteuerungsstationen und Antennen auf der Erde. Zu den Steuerungsaktivitäten gehören die Verfolgung und der Betrieb der Satelliten im Weltraum und die Überwachung der Übertragungen. Es gibt Überwachungsstationen auf fast allen Kontinenten der Welt, darunter Nord- und Südamerika, Afrika, Europa, Asien und Australien.
• Benutzergeräte: GPS-Empfänger und -Sender einschließlich Geräten wie Uhren, Smartphones und Telematikgeräten.

Wie funktioniert die GPS-Technologie?

GPS arbeitet mit einer Technik namens Trilateration. Zur Berechnung von Standort, Geschwindigkeit und Höhe erfasst die Trilateration (auf Englisch) Signale von Satelliten, um Positionsdaten auszugeben. Sie wird oft mit der Triangulation verwechselt, die zur Messung von Winkeln anstatt von Abständen dient.

Satelliten, die die Erde umkreisen, senden Signale, die von einem GPS-Gerät auf oder in der Nähe der Erdoberfläche gelesen und ausgewertet werden. Um die Position zu berechnen, muss ein GPS-Gerät das Signal von mindestens vier Satelliten lesen können.

Jeder Satellit im Netzwerk umkreist die Erde zweimal täglich, und jeder Satellit sendet ein eindeutiges Signal, Orbitalparameter und die Uhrzeit. Ein GPS-Gerät kann jederzeit die Signale von sechs oder mehr Satelliten lesen.

Ein einzelner Satellit sendet ein Mikrowellensignal, das von einem GPS-Gerät erfasst und zur Berechnung der Entfernung vom GPS-Gerät zum Satelliten verwendet wird. Da ein GPS-Gerät nur Informationen über die Entfernung von einem Satelliten liefert, kann ein einzelner Satellit nicht viele Standortinformationen bereitstellen. Satelliten geben keine Informationen über Winkel ab, sodass sich die Position eines GPS-Geräts an einer beliebigen Stelle auf der Oberfläche einer Kugel befinden kann.

Wenn ein Satellit ein Signal sendet, erzeugt er einen Kreis mit einem Radius, der vom GPS-Gerät zum Satelliten gemessen wird.

Durch Hinzufügen eines zweiten Satelliten wird ein zweiter Kreis erstellt, und die Position wird auf einen von zwei Punkten begrenzt, an denen sich die Kreise schneiden.

Bei einem dritten Satelliten kann der Standort des Geräts endlich bestimmt werden, da sich das Gerät am Schnittpunkt aller drei Kreise befindet.

Allerdings leben wir in einer dreidimensionalen Welt, d. h. jeder Satellit erzeugt eine Kugel, nicht einen Kreis. Wenn sich drei Kugeln schneiden, erzeugt dies zwei Schnittpunkte, und hierbei wird derjenige Punkt ausgewählt, der der Erde am nächsten liegt.

Hier sehen Sie eine Darstellung der Satellitenbereiche:

Während sich ein Gerät bewegt, ändert sich der Radius (Entfernung zum Satelliten). Wenn sich der Radius ändert, entstehen neue Kugeln, sodass wir eine neue Position erhalten. Wir können diese Daten zusammen mit der vom Satelliten angegebenen Uhrzeit verwenden, um die Geschwindigkeit zu bestimmen, die Entfernung zu unserem Ziel und die voraussichtliche Ankunftszeit zu berechnen.

Wofür wird GPS genutzt?

GPS ist ein leistungsstarkes und zuverlässiges Tool für Unternehmen und Organisationen in vielen verschiedenen Branchen. Gutachter, Wissenschaftler, Piloten, Schiffsführer, Ersthelfer sowie Arbeitskräfte im Bergbau und in der Landwirtschaft sind nur einige Beispiele für Menschen, die täglich GPS für ihre Arbeit nutzen. Sie verwenden GPS-Informationen zur Vorbereitung genauer Erhebungen und Karten, zur Durchführung präziser Zeitmessungen, zur Positionsverfolgung oder zur Navigation. GPS funktioniert jederzeit und bei fast allen Wetterbedingungen.

Es gibt fünf Hauptverwendungszwecke von GPS:

1. Standort: eine Position bestimmen.
2. Navigation: von einem Ort zum anderen gelangen.
3. Verfolgung: Bewegungen von Objekten oder Personen überwachen.
4. Kartografierung: Karten der Welt erstellen.
5. Zeitmessung: präzise Zeitmessungen ermöglichen.

Beispiele für GPS-Anwendungsfälle:

• Notfalleinsätze: Im Notfall oder bei Naturkatastrophen nutzen Ersthelfer GPS für die Kartierung, Verfolgung und Vorhersage des Wetters sowie für die Nachverfolgung des Notfallpersonals. In der EU und in Russland stützt sich die eCall-Regelung auf GLONASS-Technologie (eine GPS-Alternative) und Telematik, um Daten im Falle eines Fahrzeugunfalls an Notdienste zu senden und so die Reaktionszeit zu verkürzen. Erfahren Sie mehr über GPS-Tracking für Ersthelfer.
• Unterhaltung: GPS kann in Spiele und Aktivitäten wie Pokémon Go und Geocaching integriert werden.
• Gesundheit und Fitness: Smartwatches und tragbare Technologien können Fitnessaktivitäten (wie etwa die Laufdistanz) verfolgen und mit einer ähnlichen demografischen Zielgruppe vergleichen.
• Bau-, Bergbau- und Geländefahrzeuge: Angefangen bei der Standortbestimmung über die Messung und Verbesserung der Objektzuordnung ermöglicht GPS Unternehmen die Steigerung ihrer Anlagerendite. Erfahren Sie mehr über die Ortung von Bau- und Geländefahrzeugen.
• Transport: Logistikunternehmen implementieren Telematiksysteme zur Steigerung der Produktivität und Sicherheit ihrer Fahrer. Ein Fahrzeugortungsgerät kann zur Unterstützung von Routenoptimierung, Kraftstoffeffizienz, Fahrersicherheit und Compliance verwendet werden.

Weitere Branchen, in denen GPS verwendet wird, sind Landwirtschaft, autonome Fahrzeuge, Vertrieb und Dienstleistungen, Militär, mobile Kommunikation, Sicherheit und Fischerei.

Wie genau ist GPS?

Die Genauigkeit von GPS-Geräten hängt von vielen Variablen ab, z. B. von der Anzahl der verfügbaren Satelliten, der Ionosphäre, der städtischen Umgebung und vielem mehr.

Zu den Faktoren, die die GPS-Genauigkeit beeinträchtigen können, gehören:

• Physische Hindernisse: Messungen der Ankunftszeit können durch Gebilde von großer Masse wie Berge, Gebäude, Bäume usw. verzerrt werden.
• Atmosphärische Effekte: Ionosphärische Verzögerungen, Stürme mit starker Bedeckung und Sonnenstürme können GPS-Geräte beeinträchtigen.
• Ephemeriden: Das Orbitalmodell innerhalb eines Satelliten könnte falsch oder veraltet sein, obwohl dies immer seltener wird.
• Numerische Fehlberechnungen: Dies kann ein Faktor sein, wenn die Gerätehardware nicht den Spezifikationen entspricht.
• Künstliche Störung: Dazu gehören GPS-Jammer und -Spoofs.

In offenen Bereichen ohne angrenzende hohe Gebäude, die Signale blockieren können, ist die Genauigkeit tendenziell höher. Dieser Effekt wird auch als „Urban Canyon“ bezeichnet. Wenn ein Gerät von großen Gebäuden umgeben ist, wie z. B. in Manhattan oder Toronto, wird das Satellitensignal zuerst blockiert und dann von einem Gebäude reflektiert, woraufhin es schließlich vom Gerät gelesen wird. Dies kann zu fehlerhaften Berechnungen der Satellitenentfernung führen.

Glücklicherweise wurden viele kritische Probleme mit der GPS-Technologie erkannt und in Angriff genommen, sodass bald alle behoben sein werden. Hochwertige Empfänger bieten in 95 % der Fälle eine horizontale Genauigkeit von unter 2,2 Metern und in 99 % der Fälle (auf Englisch) eine Genauigkeit von unter 3 Metern.

Die kurze Geschichte des GPS

Menschen navigieren seit Tausenden von Jahren mithilfe von Sonne, Mond, Sternen und später des Sextanten. GPS war ein Fortschritt des 20. Jahrhunderts, der durch die Weltraumtechnologie möglich wurde.

In der neueren Geschichte wird die GPS-Technologie weltweit eingesetzt. Der Start des russischen Sputnik I-Satelliten im Jahr 1957 brachte die Möglichkeit der Einführung von Ortungsfunktionen mit sich, und bald darauf begann das US-Verteidigungsministerium, diese für die U-Boot-Navigation zu verwenden.

1983 stellte die US-Regierung GPS öffentlich zur Verfügung, behielt aber weiterhin die Kontrolle über die verfügbaren Daten. Erst im Jahr 2000 erhielten Unternehmen und die allgemeine Öffentlichkeit vollen Zugang zur Nutzung von GPS, was letztendlich einem größeren GPS-Fortschritt den Weg ebnete.

Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS)

Ein GPS gilt als globales Navigationssatellitensystem (GNSS), d. h. es ist ein Satellitennavigationssystem mit globaler Abdeckung. Seit 2020 gibt es zwei voll funktionsfähige globale Navigationssatellitensysteme: Das US-amerikanische NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing And Ranging) und Russlands globales Navigationssatellitensystem (GLONASS). Das NAVSTAR GPS besteht aus 32 Satelliten, die im Besitz der USA sind, und ist das bekannteste und am häufigsten genutzte Satellitensystem. Das russische GLONASS besteht aus 24 betriebsbereiten Satelliten, wobei drei als Ersatz oder im Testbetrieb verbleiben.

Auch andere Länder bemühen sich darum, aufzuholen. Die EU arbeitet beispielsweise an Galileo, das voraussichtlich Ende 2020 die volle Betriebskapazität erreichen wird. China baut außerdem das Navigationssatellitensystem BeiDou mit 35 Satelliten, die spätestens im Mai 2020im Orbit sein sollen. Außerdem arbeiten Japan und Indien an ihren eigenen regionalen Systemen, dem Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) und dem Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS).

Gegenüberstellung von GPS- und GNSS-Geräten

Obwohl GPS eine Untergruppe von GNSS ist, wird bei Empfängern zwischen GPS (d. h. nur GPS) und GNSS unterschieden. Ein GPS-Empfänger kann nur Informationen von Satelliten im GPS-Satellitennetzwerk lesen, während das typische GNSS-Gerät gleichzeitig Informationen von GPS und GLONASS (oder mehr als diesen beiden Systemen) empfangen kann.

Einem GNSS-Empfänger stehen über 60 Satelliten zur Verfügung. Während ein Gerät nur drei Satelliten benötigt, um seine Position zu ermitteln, wird die Genauigkeit mit einer größeren Anzahl von Satelliten verbessert. Die folgende Tabelle zeigt ein Beispiel für die Anzahl der verfügbaren Satelliten (grün dargestellt) und die Stärke ihrer Signale (Höhe der Spalte) an einen GPS-Empfänger. In diesem Fall sind 12 Satelliten verfügbar.

Ein GNSS-Gerät kann mehr Satelliten erfassen, wodurch die Gerätegenauigkeit verbessert wird. In der folgenden Abbildung sind 17 Satelliten verfügbar. Grüne Balken gehören zu GPS, blaue Balken zu GLONASS.

Eine größere Anzahl von Satelliten, die Informationen an einen Empfänger liefern, ermöglicht es dem GPS-Gerät, die Position mit größerer Präzision zu berechnen. Mehr Satelliten bieten einem Gerät eine bessere Chance, eine Positionsbestimmung zu erhalten, wenn der Empfänger die Position des Benutzers berechnet hat.

Dennoch haben GNSS-Empfänger einige Nachteile:

• Die Kosten für GNSS-Chips sind höher als die für GPS-Geräte.
• GNSS verwendet eine größere Bandbreite (1559 bis 1610 MHz) als GPS (1559 bis 1591 MHz). Dies bedeutet, dass standardmäßige GPS-Funkfrequenzkomponenten, wie Antennen, Filter und Verstärker, nicht für GNSS-Empfänger verwendet werden können, was zu einem Kostenanstieg führt.
• Der Stromverbrauch ist etwas höher als bei GPS-Empfängern, da sie eine Verbindung zu mehr Satelliten herstellen und die Berechnung zur Bestimmung der Position durchführen.

Die Zukunft des GPS

Immer mehr Länder bauen weiterhin GPS-Systeme auf und nehmen Verbesserungen vor. Weltweit werden Anstrengungen unternommen, um die Genauigkeit zu erhöhen und die Zuverlässigkeit und GPS-Funktionen zu verbessern. Zum Beispiel:

• GNSS-Empfänger werden voraussichtlich kleiner, genauer und effizienter werden, und die GNSS-Technologie wird darauf ausgerichtet, selbst bei kostenbewussten GPS-Anwendungen konkurrieren zu können.
• Wissenschaftler und Rettungskräfte suchen neue Möglichkeiten für den Einsatz der GPS-Technologie zur Vermeidung von Naturkatastrophenund Analyse von Erdbeben, Vulkanausbrüchen, Erdfällen und Lawinen. Bei der COVID-19-Pandemie versuchen Forscher, Standortdaten von Mobiltelefonen zu verwenden, um die Kontaktverfolgung zu unterstützen und so die Ausbreitung des Virus zu verlangsamen.
• Der Start neuer GPS-III-Satelliten (auf Englisch) wird bereits ab 2023 die GPS-Genauigkeit auf 1 bis 3 Meter steigern, die Navigationsfähigkeiten verbessern und die Lebensdauer der Komponenten verlängern. Dies wird durch die Übertragung über das zivile L1C-Signal für Interoperabilität mit anderen Satellitensystemen möglich.
• Die nächste Generation von GPS-Satelliten wird einen besseren Signalschutz, eine geringere Anfälligkeit gegenüber Signalstörungen (auf Englisch) und eine bessere Manövrierbarkeit zur Abdeckung toter Zonen bieten.
• Die Deep Space Atomic Clock der National Aeronautics and Space Administration (NASA) nutzt einen leistungsstarken integrierten GPS-Satelliten, um zukünftigen Astronauten, die sich auf Weltraumfahrt begeben, eine beständige Zeitangabe bereitzustellen.

Die Zukunft der GPS-Ortung wird wahrscheinlich sowohl für die private als auch für die geschäftliche Nutzung wesentlich genauer und effektiver sein.