Wie funktioniert GPS?

Es ist mittlerweile überall in unseren Alltag integriert – das GPS System. Ob im Auto, auf dem Schiff, im Flugzeug oder sogar auf dem Fahrrad, überall wird ein GPS System zur Ortung und Navigation benutzt. Aber auch in modernen Smartphones sorgt eine GPS Funktion für eine Orientierung in fremden Umgebungen und erleichtert uns so oftmals den Alltag.

Doch was genau ist überhaupt GPS und wie funktioniert es?

Das GPS (Global Positioning System / Globales Positionsbestimmungssystem) ist ein globales Navigationssatellitensystem, welches zur Positionsbestimmung dient. Entwickelt wurde es in den 1970er Jahren vom amerikanischen US-Verteidigungsministerium und ist seit den 90er Jahren voll einsatzfähig. Daher waren GPS Systeme ursprünglich für militärische Zwecke vorgesehen, wurden aber auch zunehmend für den zivilen Gebrauch genutzt. Der Vorteil, dass GPS Geräte nur Signale empfangen, aber selber keine senden, verhinderte so, dass der Feind den eigenen Standort ausfindig machen konnte.

Die Funktionsweise:

An einem GPS System sind maßgeblich vier Komponenten beteiligt:

• Satelliten auf Umlaufbahnen im Weltraum
• Bodenstationen als Kontrollsegment
• geostationäre Satelliten mit Korrektursignalen
• und das GPS Gerät des Benutzers

24 Satelliten auf verschiedenen Umlaufbahnen senden stetig Radiosignale, welche ihre exakte Position und Uhrzeit übermitteln. Aus den Signallaufzeiten von mindestens vier verschiedenen Satelliten können die GPS Empfänger dann ihre eigene Position und auch Geschwindigkeit errechnen. Je mehr Signale empfangen werden, desto genauer wird die Position des Benutzers bestimmt. Die meisten in Smartphones und GPS Geräten verbauten Empfänger liefern Genauigkeiten zwischen 5-15 Metern.

Genauigkeit und Fehlerquellen

Die Positionsbestimmung ist eine sehr komplexe Genauigkeit und von vielen Faktoren abhängig. Aufgrund dessen ist eine exakte Ortung sehr empfindlich.

Mögliche Fehlerquellen:

Satellitenfehler

• Gravitationseffekte (wirken sich auf die Atomuhren aus)
• Satellitengeometrie – die Positionierung der verschiedenen Satelliten zueinander. Für eine gute Positionsbestimmung sind die Satelliten gleichmäßig am Himmel verteilt. Stehen mehrere Satelliten sehr nah beisammen oder in einer Reihe, wird die Bestimmung sehr ungenau.
• Ephemeridenfehler bezeichnen die Abweichung zwischen der berechneten und tatsächlichen Satellitenlaufbahn

Atmosphärische Fehler

Die Satellitensignale werden an den einzelnen Schichten der Atmosphäre gebrochen, was die Geschwindigkeit und Richtung des Signals beeinflusst. Dadurch werden mitunter die größten Ungenauigkeiten hervorgerufen, welche allerdings durch die Bodenstationen und geostationären Satelliten wieder korrigiert werden.

Reflektionen an der Erdoberfläche

Nebel und Wolken stellen für das Satellitensignal kein Problem dar. Diese werden problemlos durchdrungen, Fels, Ziegel, Beton oder Holz jedoch nicht. Das Signal wird dadurch abgeschwächt oder sogar komplett abgeschirmt.

Korrekturdienste

Um die genannten Fehlerquellen und Abweichungen auszugleichen werden Korrekturdienste eingesetzt. Die Korrektursignale werden über geostationäre Satelliten abgestrahlt. Hierbei handelt es sich um feste Satelliten, welche ihre Position zur Erde nicht verändern. Die gesendeten Korrektursignale werden heutzutage von jedem GPS Empfänger automatisch genutzt und verarbeitet und sorgen für Genauigkeiten zwischen 5 bis 15 Metern.