Was ist GPS?

In diesem Artikel beleuchten wir das Global Positioning System (GPS), ein Schlüsselelement der modernen Technologie, das die Art und Weise, wie wir navigieren und unseren Standort bestimmen, maßgeblich verändert hat. Wir erklären, wie GPS funktioniert, erörtern seine Anwendungen und betrachten sowohl die Genauigkeit als auch die damit verbundenen Herausforderungen im Bereich Datenschutz und Sicherheit. Erfahren Sie, wie dieses ursprünglich für militärische Zwecke entwickelte System heute unverzichtbar für alltägliche Aufgaben von der individuellen Navigation bis zur globalen Logistik geworden ist.

Definition

GPS, kurz für „Global Positioning System“, ist ein satellitengestütztes Navigationssystem, das weltweit eine genaue Standort- und Zeitinformation bietet. Ursprünglich vom US-Verteidigungsministerium entwickelt, ist es mittlerweile für zivile Zwecke weit verbreitet und eine entscheidende Technologie in der modernen Automobilindustrie.

Ein GPS-Empfänger im Auto empfängt Signale von mindestens vier der über 30 GPS-Satelliten, die die Erde umkreisen. Diese Signale enthalten Informationen über die Position des Satelliten und die genaue Zeit, zu der das Signal gesendet wurde. Der Empfänger verwendet diese Informationen, um die Entfernung zu jedem Satelliten zu berechnen. Durch eine Methode namens Trilateration bestimmt der Empfänger dann seinen genauen Standort auf der Erdoberfläche in Bezug auf Breiten-, Längengrad und manchmal Höhe.

Diese präzise Ortungsfähigkeit hat das Autofahren revolutioniert. GPS-Systeme im Auto bieten Routenführung, Echtzeit-Verkehrsinformationen und Unterstützung bei der Suche nach Interessenspunkten wie Tankstellen, Restaurants und Hotels. Einige fortgeschrittene Systeme integrieren GPS-Daten mit Fahrzeugsensorik und Kartenmaterial, um assistierte oder sogar vollständig autonome Fahrfunktionen zu ermöglichen.

Zusätzlich zu Navigationshilfen bieten GPS-Systeme in Fahrzeugen auch Sicherheitsfunktionen. Sie ermöglichen zum Beispiel Notfalldiensten, ein Fahrzeug bei einem Unfall schnell zu orten oder können zur Diebstahlverfolgung und -prävention genutzt werden.

Funktion

GPS, das Global Positioning System, funktioniert durch ein Netzwerk von Satelliten, die die Erde umkreisen und kontinuierlich Signale an Geräte auf der Erdoberfläche senden. Diese Signale enthalten Informationen über die Position des Satelliten und die genaue Zeit, zu der das Signal gesendet wurde. Um zu verstehen, wie GPS funktioniert, können wir den Prozess in mehrere Schlüsselschritte unterteilen:

• Satellitennetzwerk: Das GPS-System besteht aus einer Konstellation von mindestens 24 Satelliten, die in einer präzisen Bahn um die Erde kreisen. Diese Satelliten sind so positioniert, dass zu jeder Zeit und an jedem Ort auf der Erde Signale von mindestens vier GPS-Satelliten empfangen werden können.
• Signalübertragung: Jeder Satellit sendet kontinuierlich ein Signal aus, das Informationen über seine aktuelle Position und die genaue Zeit enthält. Diese Zeitinformation wird mit einer sehr genauen Atomuhr an Bord des Satelliten synchronisiert.
• Signal-Empfang: Ein GPS-Empfänger, wie er in Autos, Smartphones und anderen Geräten zu finden ist, empfängt die Signale von mehreren Satelliten gleichzeitig.
• Berechnung des Standorts: Der GPS-Empfänger nutzt die Zeitdifferenz zwischen dem Senden und Empfangen jedes Signals, um die Entfernung zu jedem Satelliten zu berechnen. Da die Signale mit Lichtgeschwindigkeit reisen, kann aus der Zeitverzögerung die Entfernung genau bestimmt werden.
• Trilateration: Um die genaue Position zu ermitteln, verwendet der GPS-Empfänger ein Verfahren namens Trilateration. Mit den Entfernungen zu mindestens drei Satelliten kann der Empfänger seinen Standort auf der Erdoberfläche in Bezug auf Längen- und Breitengrad bestimmen. Mit einem vierten Satelliten kann auch die Höhe ermittelt werden.
• Datenverarbeitung und Anzeige: Der GPS-Empfänger verarbeitet diese Standortinformationen und stellt sie dem Benutzer zur Verfügung, oft in Form einer visuellen Karte oder als Koordinaten.
• Weitere Anwendungen: Neben der Standortbestimmung können GPS-Daten auch zur Geschwindigkeitsmessung, zur Berechnung der Reiseroute, zur Schätzung der Ankunftszeit und für viele andere Navigations- und Tracking-Anwendungen verwendet werden.

Das GPS-System ist aufgrund seiner globalen Verfügbarkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit ein unverzichtbares Werkzeug für Navigation und Kartierung geworden.

Anwendungen

GPS wird für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt, die weit über die einfache Navigation hinausgehen. Hier sind einige der wichtigsten Einsatzbereiche:

• Navigation und Kartierung: Die bekannteste Anwendung von GPS. Es wird verwendet, um den Standort zu bestimmen und Routen in Autos, Schiffen, Flugzeugen und auf Handgeräten zu planen. In der Kartierung hilft GPS bei der Erstellung und Aktualisierung von Karten und Geoinformationssystemen (GIS).
• Zeitmessung: GPS-Satelliten tragen äußerst genaue Atomuhren bei sich. Die von ihnen übertragenen Zeitinformationen sind entscheidend für viele Systeme, die präzise Zeitmessung benötigen, wie Finanzmärkte, Stromnetze und Telekommunikationsnetze.
• Landwirtschaft: In der Präzisionslandwirtschaft wird GPS genutzt, um landwirtschaftliche Maschinen wie Traktoren und Erntemaschinen effizienter zu steuern, was zu einer besseren Ernteverwaltung und geringerem Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden führt.
• Militärische Anwendungen: GPS ist ein entscheidendes Werkzeug für militärische Operationen, einschließlich Navigation, Zielortung, Aufklärung und in der Steuerung von Präzisionswaffen.
• Notfallortung und Such- und Rettungseinsätze: GPS ermöglicht die schnelle und genaue Ortung von Personen oder Fahrzeugen in Notfällen, was für Rettungsdienste und Such- und Rettungsaktionen unerlässlich ist.
• Wissenschaftliche Forschung: GPS wird in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen eingesetzt, unter anderem in der Geologie zur Überwachung tektonischer Bewegungen, in der Meteorologie zur Wettervorhersage und in der Umweltwissenschaft zur Überwachung von Tierbewegungen und Umweltveränderungen.
• Freizeit und Sport: GPS-Geräte werden in vielen Outdoor-Aktivitäten wie Wandern, Geocaching, Golfen und bei Sportarten wie Laufen und Radfahren zur Leistungsüberwachung und Routenverfolgung verwendet.
• Luftfahrt: GPS ist ein unverzichtbares Navigationswerkzeug in der Luftfahrt, sowohl für die zivile als auch für die militärische Luftfahrt, zur Routenplanung, Flugüberwachung und Landehilfe.
• Verkehrsüberwachung und -management: GPS hilft bei der Überwachung und Verwaltung des Verkehrsflusses, indem es Daten über Fahrzeugbewegungen liefert, die für die Planung und das Management von Verkehrssystemen genutzt werden können.
• Diebstahlsicherung und Asset-Tracking: GPS-Tracker werden verwendet, um den Standort von Fahrzeugen, wertvollen Gütern und sogar Haustieren zu überwachen, um Diebstahl zu verhindern oder verlorene Gegenstände wiederzufinden.

Genauigkeit

Die Genauigkeit von GPS, also wie genau es Ihren Standort bestimmen kann, hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der Qualität des GPS-Empfängers, der Sichtbarkeit der Satelliten, atmosphärischen Bedingungen und ob zusätzliche Technologien zur Verbesserung der Genauigkeit eingesetzt werden. Im Allgemeinen liegt die Genauigkeit von Standard-GPS-Systemen für zivile Nutzer im Bereich von etwa 3 bis 10 Metern unter idealen Bedingungen. Hier sind einige Schlüsselfaktoren, die die Genauigkeit beeinflussen:

• Qualität des Empfängers: Hochwertige GPS-Empfänger, wie sie in der Schifffahrt oder Luftfahrt verwendet werden, sind genauer als die einfacheren Empfänger in Smartphones oder Autonavigationssystemen.
• Sichtbarkeit der Satelliten: GPS-Empfänger benötigen ein klares Signal von mindestens vier Satelliten, um die Position genau zu bestimmen. Hindernisse wie hohe Gebäude, Berge oder dichte Baumkronen können die Sichtbarkeit und damit die Genauigkeit beeinträchtigen.
• Atmosphärische Bedingungen: Die Ionosphäre und Troposphäre können die GPS-Signale beeinflussen, was zu geringfügigen Ungenauigkeiten führt.
• Differential-GPS (DGPS): Dieses System verbessert die Genauigkeit, indem es Korrektursignale von Bodenstationen verwendet, die bekannte Positionen haben. DGPS kann die Genauigkeit auf weniger als einen Meter verbessern.
• Real-Time Kinematic (RTK) GPS: Dies ist eine weitere Verbesserung, die GPS-Daten in Echtzeit mit Informationen von einer Referenzstation kombiniert, um eine Genauigkeit im Zentimeterbereich zu erreichen.
• Militärische Nutzung: Ursprünglich für das Militär entwickelt, verfügt das GPS-System über eine höhere Genauigkeit für militärische Anwendungen. Für zivile Zwecke wurde diese Genauigkeit früher absichtlich begrenzt, aber diese Beschränkung wurde im Jahr 2000 aufgehoben.

Im täglichen Gebrauch, insbesondere in offenen Bereichen ohne große Hindernisse, können zivile GPS-Empfänger eine ziemlich genaue Positionierung bieten, die für die meisten Anwendungen wie Autofahren, Wandern oder einfache Kartierung ausreichend ist. Technologien wie DGPS und RTK-GPS werden in Anwendungen eingesetzt, die eine höhere Präzision erfordern, wie in der Landvermessung, präzisen Landwirtschaft oder bei einigen wissenschaftlichen Untersuchungen.

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zum GPS

Was benötigt ein Gerät, um GPS-Signale zu empfangen?

Ein Gerät benötigt einen GPS-Empfänger und eine klare Sicht zum Himmel, um Signale von GPS-Satelliten zu empfangen. Die meisten modernen Smartphones und viele Autos verfügen über integrierte GPS-Empfänger.

Beeinflusst schlechtes Wetter die GPS-Genauigkeit?

GPS-Signale können durch atmosphärische Bedingungen wie schwere Wolken, Regen oder Schneefall leicht beeinträchtigt werden, aber in der Regel bleibt die Genauigkeit für die meisten alltäglichen Anwendungen ausreichend.

Ist GPS im Weltraum nutzbar?

Ja, GPS kann auch im nahen Erdorbit genutzt werden, wie von Satelliten und Raumfahrzeugen. Die Internationale Raumstation (ISS) zum Beispiel nutzt GPS zur Positionsbestimmung.

Verbraucht die Nutzung von GPS auf einem Smartphone viel Batterie?

Ja, GPS kann ein signifikanter Faktor beim Batterieverbrauch eines Smartphones sein, insbesondere wenn es über längere Zeit aktiv genutzt wird, wie bei der Navigation auf einer langen Fahrt.

Kann GPS Geschwindigkeit messen?

Ja, GPS-Geräte können die Bewegungsgeschwindigkeit basierend auf Positionsänderungen über die Zeit hinweg messen, was oft in Fahrzeugen oder bei Sport-Tracking-Geräten genutzt wird.

Ist GPS überall auf der Welt verfügbar?

GPS ist global verfügbar, jedoch kann die Signalstärke in abgelegenen Gebieten, tiefen Schluchten oder dichten städtischen Gebieten mit hohen Gebäuden variieren.

Wie aktualisiert sich die GPS-Kartendaten?

GPS-Geräte selbst speichern keine Karten, sondern empfangen nur Standortdaten. Aktualisierte Karten werden von der Software des Geräts bereitgestellt, die entweder vorinstalliert oder über das Internet aktualisiert wird.

Gibt es Datenschutzbedenken bei der Nutzung von GPS?

Ja, die Nutzung von GPS-Geräten, insbesondere in Smartphones, kann Datenschutzbedenken aufwerfen, da sie den Standort des Benutzers aufzeichnen und übertragen können. Es ist wichtig, die Datenschutzeinstellungen und -praktiken der jeweiligen Geräte oder Anwendungen zu verstehen.

Können GPS-Signale gestört oder gefälscht werden?

Ja, GPS-Signale können durch verschiedene Mittel gestört oder gefälscht werden, was als GPS-Jamming oder -Spoofing bekannt ist. Dies kann zu ungenauen Standortdaten führen und ist ein Sicherheitsrisiko in sensiblen Anwendungen.

Wie funktioniert GPS im Vergleich zu anderen globalen Navigationssatellitensystemen (GNSS) wie Galileo oder Beidou?

GPS, Galileo, Beidou und GLONASS sind unabhängige Systeme, die auf ähnliche Weise funktionieren, aber von verschiedenen Ländern oder Gruppen von Ländern betrieben werden. Sie haben jeweils ihre eigene Satellitenkonstellation und Signalstruktur, aber moderne Empfänger sind häufig in der Lage, Signale von mehreren dieser Systeme zu empfangen, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu verbessern.

Weiterführende Informationen

Literatur

1. Manfred Bauer, Vermessung und Ortung mit Satelliten, Wichmann, 2011
2. J. Wendel, Integrierte Navigationssysteme: Sensordatenfusion, GPS und Inertiale Navigation, Oldenbourg Wissenschaftsverlag, 2007

Online Publikationen

1. Universität Bielefeld, Carina Homrighausen, Das GPS-System, 2008, https://www.physik.uni-bielefeld.de/didaktik/Examensarbeiten/MasterarbeitHomrighausen.pdf