GPS - ein globales Navigationssatellitensystem

secdet® Germany 21 Juni 2023

GPS steht für Global Positioning System und ist ein globales Navigationssatellitensystem zur Positionsbestimmung. Es wurde seit den 1970er-Jahren vom US-Verteidigungsministerium entwickelt und löste ab etwa 1985 das alte Satellitennavigationssystem NNSS (Transit) der US-Marine ab.

GPS basiert auf einem Netzwerk von mindestens 24 Satelliten, die die Erde in sechs Umlaufbahnen umkreisen. Die Satelliten senden kontinuierlich Funksignale aus, welche von GPS-Empfängern auf der Erde empfangen werden können. Die Empfänger berechnen ihre Position, indem sie die Laufzeit und die Frequenzverschiebung der Signale von mindestens vier Satelliten messen. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z.B. der Anzahl und der Verteilung der verfügbaren Satelliten, der Qualität des Empfängers und der atmosphärischen Bedingungen.

GPS hat viele Anwendungen in verschiedenen Bereichen, wie z.B. Navigation, Geodäsie, Kartographie, Landwirtschaft, Sport und Freizeit. GPS kann auch für private Zwecke genutzt werden, z.B. um das eigene Fahrzeug oder das Haustier zu orten. Allerdings gibt es auch datenschutzrechtliche Bedenken bei der GPS-Nutzung, insbesondere wenn es um die Ortung von Firmenfahrzeugen geht.

Wie funktioniert GPS?

GPS basiert auf einem Netzwerk von mindestens 24 Satelliten, die in sechs Umlaufbahnen um die Erde kreisen. Jeder Satellit sendet kontinuierlich ein Funksignal aus, das Informationen über seine Position und die aktuelle Zeit enthält. Ein GPS-Empfänger empfängt diese Signale und berechnet daraus seine eigene Position und Geschwindigkeit. Dazu misst er die Laufzeit der Signale von mindestens vier Satelliten und löst ein mathematisches Problem.

Um eine Position zu bestimmen, muss ein Empfänger die Signale von mindestens vier Satelliten gleichzeitig empfangen . Dies liegt daran, dass die Signale eine bestimmte Laufzeit haben, bis sie den Empfänger erreichen, und diese Laufzeit von der Entfernung zwischen dem Satelliten und dem Empfänger abhängt. Mit vier Signalen kann der Empfänger vier Gleichungen mit vier Unbekannten lösen: seine drei räumlichen Koordinaten und seine Uhrenabweichung.

Die Genauigkeit der Positionsbestimmung hängt dabei von der Qualität des Empfängers und der Anzahl der verfügbaren Satelliten ab.

Wie viele Satelliten gibt es?

Die Anzahl der GPS-Satelliten variiert je nach Ausfall oder Ersatz von alten Satelliten durch neue. Derzeit gibt es etwa 30 aktive GPS-Satelliten, die alle zu dem US-amerikanischen System gehören. Es gibt aber auch andere Systeme wie das europäische Galileo, das russische GLONASS oder das chinesische Beidou, die ebenfalls Positionsbestimmung ermöglichen. Diese Systeme sind teilweise kompatibel mit GPS und können die Genauigkeit erhöhen.

Wie ändert sich die Position der Satelliten über den Tag?

Die GPS-Satelliten umkreisen die Erde in einer Höhe von etwa 20.000 Kilometern mit einer Geschwindigkeit von etwa 14.000 Kilometern pro Stunde. Das bedeutet, dass sie etwa zweimal am Tag die Erde umrunden. Da sich die Erde aber auch dreht, ändert sich die Position der Satelliten relativ zum Beobachter auf der Erdoberfläche ständig. Das hat zur Folge, dass zu verschiedenen Zeiten verschiedene Satelliten sichtbar sind. Ein GPS-Empfänger muss daher ständig nach neuen Satelliten suchen und seine Position neu berechnen.

Welche Faktoren beeinflussen die Genauigkeit von GPS?

Die Genauigkeit von GPS hängt von verschiedenen Faktoren ab, die sowohl den Sender als auch den Empfänger betreffen. Zu den wichtigsten Faktoren gehören:

Die Anzahl und Verteilung der verfügbaren Satelliten: Je mehr Satelliten sichtbar sind und je besser sie verteilt sind, desto genauer ist die Positionsbestimmung.
Die Qualität des Empfängers: Je empfindlicher, größer und präziser der Empfänger ist, desto besser kann er die Signale verarbeiten und Störungen ausfiltern.
Die Atmosphäre: Die Signale werden durch die verschiedenen Schichten der Atmosphäre abgelenkt und verzögert, was zu Fehlern führt. Dieser Effekt ist besonders stark bei niedrig stehenden Satelliten.
Die Reflexionen: Die Signale können von Objekten wie Gebäuden, Bäumen oder Metall reflektiert werden und so falsche oder mehrfache Signale erzeugen. Dieser Effekt ist besonders stark in städtischen oder bewaldeten Gebieten.
Die Abschirmung: Die Signale können durch Objekte wie Gebäude, Bäume oder Metall abgeschirmt werden und so gar nicht oder nur schwach beim Empfänger ankommen. Dieser Effekt ist besonders stark in geschlossenen Räumen oder Tunneln.

Wie kann man die Genauigkeit von GPS verbessern?

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Genauigkeit von GPS zu verbessern, die je nach Anwendung und Bedarf eingesetzt werden können. Zu den wichtigsten Möglichkeiten gehören:

Die Verwendung von mehreren Systemen: Die Kombination von GPS mit anderen Systemen wie Galileo, GLONASS oder Beidou erhöht die Anzahl und Verteilung der verfügbaren Satelliten und reduziert so die Fehler.
Die Verwendung von Korrekturdaten: Die Korrekturdaten sind Informationen, die von Bodenstationen oder anderen Quellen bereitgestellt werden und die Fehler der Satellitensignale korrigieren. Es gibt verschiedene Methoden, wie die Korrekturdaten übertragen und angewendet werden können, wie zum Beispiel DGPS, WAAS oder EGNOS.
Die Verwendung von zusätzlichen Sensoren: Die zusätzlichen Sensoren sind Geräte, die andere Informationen liefern, die zur Positionsbestimmung genutzt werden können, wie zum Beispiel Beschleunigungsmesser, Gyroskope oder Kompass. Diese Sensoren können die GPS-Daten ergänzen oder ersetzen, wenn diese nicht verfügbar oder ungenau sind.
Die am einfachsten umzusetzende Lösung: Platzieren Sie Ihren Empfänger an einem anderen Ort, teilweise helfen nur Zentimeter, um Abschirmungen oder Streusignale zu verhindern oder zumindest zu minimieren.

Quellen und erweiterte Informationen:

https://www.navcen.uscg.gov
https://de.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System