Satellitengestützte Navigation – so funktioniert GPS

Ein Global Positioning System (GPS) ist ein satellitengestütztes Navigationssystem. Es besteht aus mindestens 24 GPS-Satelliten, die sich auf einer kreisförmigen Bahn im mittleren Erdorbit – d. h., in einem ungefähren Abstand von 20.000 bis 27.000 km zur Erde – befinden. Somit ist sichergestellt, dass sich im Empfangsbereich eines GPS-Empfängers immer mindestens vier Satelliten im Signalweg befinden. Und zwar zu jeder Zeit und auf jedem Ort der Erde.

Historie

Das klassische GPS wurde auf Veranlassung der Regierung der Vereinigten Staaten 1973 projektiert. Das US-Verteidigungsministerium entwickelte das System. 1983 wurde das GPS auch für die zivile Nutzung zur Verfügung gestellt – Motiv hierfür war der Abschuss einer Zivilmaschine über sowjetischem Luftraum. Seit dem Jahre 2000 wurde die künstlich herbeigeführte Signalverschlechterung aufgegeben. Daneben ist es der US-Regierung möglich, den Zugang zum System selektiv verweigern. Zur Verminderung von Abhängigkeiten wurden zuvor vergleichbare Systeme von China (BeiDou-2), Europa (Galileo) und Russland (GLONASS) entwickelt. Mittlerweile ist es üblich, alle diese satellitengestützten Navigationssysteme als GPS zu bezeichnen.

Begriffsbestimmungen

Position: Die aktuellen Koordinaten lassen sich als Längen- und Breitengrad im GPS-Gerät abspeichern.

Wegepunkt: Die so abgespeicherten Koordinaten stellen einen Wegepunkt dar. Ebenso lassen sich weitere Wegepunkte über eine manuelle Eingabe am Gerät festlegen.

Route: Die Verbindung von Wegepunkt zu einem weiteren oder mehreren Wegepunkten bildet eine Route und stellt eine informationstechnische Verarbeitung dar.

Tracklog: Der Tracklog stellt eine automatische Speicherung aktueller Positionen in systematischen Zeitabständen dar. Mithin wird ein zurückgelegter Weg automatisch protokolliert.

Details

Die GPS-Satelliten umkreisen in einer präzisen Umlaufbahn zweimal am Tag die Erde. Dabei sendet jeder Satellit ein eindeutiges Signal mit seinen Orbitalparametern. Um dies mit der notwendigen Präzision zu ermöglichen, sind die Satelliten mit Atomuhren ausgestattet. Ein GPS-Empfänger ist damit in der Lage, dieses Signal zu decodieren und damit die genaue Lage des Signal gebenden Satelliten zu berechnen. Dies geschieht über das Verfahren der Trilateration, die auf Entfernungs- und Abstandsmessungen zu drei Punkten beruht. Hierzu misst der GPS-Empfänger die Entfernung zu jedem dieser Satelliten, um die Zeitspanne zu bestimmen, die benötigt wird, um ein übertragenes Signal zu empfangen. Mit Abstandsmessungen von einigen wenigen Satelliten kann der Empfänger die Position eines Benutzers bestimmen und elektronisch – etwa über einen eingebauten Monitor – anzeigen. Zur Berechnung einer 2-D-Position (resultierend aus Breiten- und Längengrad) und damit des Tracklogs muss ein GPS-Empfänger mit dem Signal von mindestens drei Satelliten in Verbindung stehen. Mit vier oder mehr Satelliten kann der Empfänger einer 3-D-Position (Breitengrad, Längengrad und Höhe) bestimmen. Im Allgemeinen wird ein GPS-Empfänger die Signale von acht oder auch mehr Satelliten auffangen; dies hängt aber ab von der Tageszeit ab und wo auf der Erde Sie sich befinden. An den Polen ist die Situation am ungünstigsten. Übrigens: ohne Einstein kein GPS. Da die GPS-Satelliten sich mit knapp 14.000 Kilometer pro Stunde um die Erde bewegen – mithin also mit relativistisch relevanten Geschwindigkeiten – und sich darüber hinaus aufgrund des entsprechenden Abstandes zur Erde einem schwächeren Einfluss der Gravitation unterliegen, würde die mangelnde Berücksichtigung der einsteinschen Relativitätstheorie in der automatischen Ausgleichsrechnung der Atomuhren zu einem Fehler von elf Kilometern pro Tag führen.