Globales Positionsbestimmungssystem (GPS)

Globales Positionsbestimmungssystem (GPS)

Was ist das Globale Positionsbestimmungssystem (GPS)?

Das GPS (Global Positioning System) ist eine “Konstellation” von 31 gut verteilten Satelliten, die die Erde umkreisen und es Menschen mit Bodenempfängern ermöglichen, ihren geografischen Standort genau zu bestimmen. Die Genauigkeit der Ortung liegt bei den meisten Geräten zwischen 100 und 10 Metern und bei speziellen, vom Militär zugelassenen Geräten innerhalb eines Meters. GPS-Geräte sind in der Wissenschaft weit verbreitet und inzwischen so preisgünstig, dass fast jeder einen GPS-Empfänger besitzen kann.

Das GPS ist Eigentum des US-Verteidigungsministeriums und wird von diesem betrieben, ist aber weltweit verfügbar.

Wie funktioniert das GPS?

Kurz gesagt, funktioniert es folgendermaßen:

21 GPS-Satelliten und drei Ersatzsatelliten befinden sich in einer Umlaufbahn in 10.600 Meilen Höhe über der Erde. Die Satelliten sind so angeordnet, dass sich von jedem Punkt der Erde aus vier Satelliten über dem Horizont befinden.

Jeder Satellit enthält einen Computer, eine Atomuhr und ein Funkgerät. Mit der Kenntnis seiner Umlaufbahn und der Uhr sendet er kontinuierlich seine sich ändernde Position und Zeit. (Einmal am Tag überprüft jeder Satellit seine Zeit- und Positionsbestimmung mit einer Bodenstation und nimmt eine geringfügige Korrektur vor).

Am Boden enthält jeder GPS-Empfänger einen Computer, der seine Position “trianguliert”, indem er die Peilungen von drei Satelliten erhält. Das Ergebnis ist eine geografische Position – Längen- und Breitengrad – die bei den meisten Empfängern bis auf 100 Meter genau ist.

Wenn der Empfänger auch mit einem Bildschirm und einer Karte ausgestattet ist, kann die Position ebenfalls angezeigt werden.

Wenn ein vierter Satellit empfangen werden kann, kann der Empfänger/Computer neben der geografischen Position auch die Höhe ermitteln.

Wenn Sie sich fortbewegen, kann Ihr Empfänger auch Ihre Geschwindigkeit und Fahrtrichtung berechnen und Ihnen die voraussichtliche Ankunftszeit an einem bestimmten Ziel angeben.

Das GPS wird in der Wissenschaft eingesetzt, um Daten zu liefern, die in der Menge und Genauigkeit, die das GPS ermöglicht, noch nie verfügbar waren. Wissenschaftler nutzen das GPS, um die Bewegung der arktischen Eisschilde, die tektonischen Platten der Erde und vulkanische Aktivitäten zu messen.

Die mobile GPS-Technologie hat den heutigen Smartphones bequeme und hocheffiziente Mittel an die Hand gegeben, mit denen die Endnutzer Navigationsanweisungen über ein globales Positionsbestimmungsverfahren namens “Trilateration” erhalten. Der in einem Telefon eingebaute GPS-Empfänger kommuniziert auch mit einer Reihe von Satelliten, die Navigationsanweisungen für Autofahrer oder Fußgänger liefern. Technologisch fortschrittlichere Telefone können einzelne Straßen und Sehenswürdigkeiten auf Karten identifizieren und bieten eine kommentierte Tracking-Funktion.

Wie erhalten GPS-Empfänger Daten von den Satelliten?

Zunächst einmal berechnet der GPS-Empfänger seine Position anhand der Nachrichten, die er von den GPS-Satelliten erhält. Eine Nachricht enthält den genauen Zeitpunkt, zu dem die Daten vom Satelliten an die Erdoberfläche gesendet werden. Jeder Satellit sendet ständig Nachrichten mit genauen Informationen über die Satellitenbahn sowie mit nicht so genauen Informationen über die Bahn anderer Satelliten im System. Wenn das Satellitensignal empfangen wird, bestimmt der Empfänger die Entfernung zu jedem Satelliten und berechnet mit Hilfe von Geometrie- und Trigonometrie-Algorithmen die genaue Position auf oder nahe der Erdoberfläche. Anschließend wandelt er die Rohdaten in eine benutzerfreundliche Form um, z. B. in eine grafische oder alphanumerische Anzeige von Breiten- und Längengraden (Koordinaten).

Um die genaue 2D-Position zu bestimmen, benötigt der GPS-Empfänger das Signal von mindestens 3 Satelliten. Für die genaue Höhe über dem Meeresspiegel benötigt er das Signal von mindestens 4 Satelliten. Da die Gesamtzahl der GPS-Satelliten 32 beträgt, stehen dem GPS-Empfänger zu jedem Zeitpunkt mehr als 4 notwendige Satelliten zur Verfügung. Der Empfänger nutzt diese Redundanz, um die Position so genau wie möglich zu bestimmen und atmosphärische und reflektierende Einflüsse auf den GPS-Signalweg zu vermeiden.