Wie funktioniert GPS: Die Technologie hinter der globalen Positionsbestimmung

Jedes Smartphone, jede Apple Watch und jedes Auto nutzt es: GPS, was für „Global Positioning System“ steht, ist heute eine alltägliche Technologie, die in zahlreichen Anwendungen genutzt wird, von Navigationssystemen in Autos bis hin zu Standortdiensten auf Smartphones. Aber wie funktioniert das eigentlich? In diesem Artikel werden wir einen Blick auf die Grundlagen dieses beeindruckenden Systems werfen.

Die Grundlagen von GPS

Das GPS-System besteht aus einer Konstellation von Satelliten, die die Erde in einer Umlaufbahn in einer Höhe von etwa 20.000 Kilometern umkreisen. Derzeit gibt es etwa 30 Satelliten im GPS-Netzwerk, die von der US Air Force betrieben werden. Es ist interessant zu wissen, dass die Technologie ursprünglich im Militär entwickelt und eingesetzt wurde, ehe es zu zivilen Zwecken genutzt werden konnte. Diese Satelliten sind gleichmäßig über den Himmel verteilt und befinden sich in verschiedenen Umlaufbahnen.

Das Triangulationsprinzip

Die Grundlage des GPS-Systems ist das Prinzip der Triangulation. Dieses Prinzip basiert auf der Messung der Zeit, die Signale benötigen, um von den Satelliten zur Erde zu gelangen. Um die Position eines GPS-Empfängers zu bestimmen, muss er Signale von mindestens vier Satelliten empfangen. So funktioniert das Ganze:

1. Signalübertragung: Jeder Satellit sendet kontinuierlich Signale aus, die Informationen über die Position des Satelliten und die genaue Zeit enthalten, zu der das Signal gesendet wurde.
2. Empfang beim GPS-Empfänger: Der Empfänger auf der Erde empfängt diese Signale und zeichnet die genaue Zeit auf, zu der jedes Signal empfangen wurde.
3. Berechnung der Entfernung: Da sich das Signal mit Lichtgeschwindigkeit bewegt (etwa 299.792 Kilometer pro Sekunde), kann der Empfänger die Entfernung zu jedem Satelliten berechnen, indem er die Zeitmessungen verwendet. Weil sich das Signal mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, ist die Entfernung proportional zur Zeit, die das Signal benötigt, um vom Satelliten zum Empfänger zu gelangen.
4. Triangulation: Der Empfänger verfügt nun über Entfernungsdaten zu mindestens vier Satelliten. Durch die Triangulation berechnet er seine genaue Position auf der Erde, indem er die Schnittpunkte der Entfernungsmessungen von den verschiedenen Satelliten verwendet.

Genauigkeit und Fehlerkorrektur

Die Genauigkeit von GPS hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der Anzahl der sichtbaren Satelliten, der Qualität der Empfangsgeräte und der Umgebung, in der das Signal empfangen wird. In freiem Gelände mit klarem Himmel kann GPS auf den Punkt genau sein. In städtischen Gebieten mit Hochhäusern oder bei schlechtem Wetter kann die Genauigkeit jedoch eingeschränkt sein und um mehrere Meter abweichen. In extremen Fällen, beispielsweise in geschlossenen Kellerräumen ist eine GPS-Ortung nicht zuverlässig möglich.

Um die Genauigkeit zu verbessern, werden verschiedene Techniken verwendet, einschließlich der Korrektur von Signalverzerrungen durch die Ionosphäre und die Troposphäre der Erdatmosphäre. Dies geschieht mithilfe von Bodenstationen, die genaue Informationen über diese atmosphärischen Bedingungen sammeln und an GPS-Empfänger senden, um Fehler zu korrigieren.

Anwendungen von GPS

GPS hat eine breite Palette von Anwendungen und ist nicht mehr nur auf die Navigation beschränkt. Hier sind einige der gängigen Anwendungen:

• Fahrzeugnavigation: Die Technologie wird in Navigationsgeräten und in mobilen Apps für die Fahrzeugnavigation verwendet, um Fahrern bei der Routenplanung und -navigation zu helfen.
• Luft- und Raumfahrt: GPS wird auch von Flugzeugen, Schiffen und Raumfahrzeugen zur genauen Positionsbestimmung und Navigation verwendet.
• Landwirtschaft: In der Landwirtschaft wird die genaue Ortung zur Präzisionslandwirtschaft eingesetzt, um die Effizienz bei der Aussaat, Düngung und Bewässerung zu verbessern.
• Outdoor-Aktivitäten: GPS wird von Wanderern, Radfahrern und Outdoor-Enthusiasten genutzt, um ihren Standort in entlegenen Gebieten zu bestimmen und sich zu orientieren. Unter watchOS 10 kommen auf der Apple Watch einige neue Funktionen hinzu, die eine detaillierte Ortung voraussetzen.
• Katastrophenmanagement: GPS wird auch von Rettungskräften und Behörden bei Katastrophenmanagement und Such- und Rettungseinsätzen eingesetzt.

Fazit

Das Global Positioning System (GPS) ist ein erstaunliches technologisches System, das auf dem Prinzip der Triangulation basiert. Es ermöglicht die genaue Positionsbestimmung auf der Erde und hat eine breite Palette von Anwendungen in verschiedenen Bereichen. Von der Navigation im Auto bis zur Landwirtschaft und Katastrophenmanagement – GPS hat unser Leben in vielerlei Hinsicht verbessert und ist zu einem integralen Bestandteil unserer modernen Gesellschaft geworden.