Entwurf:GPS
GPS ist ein System mit dem man seinen Standort auf der Erde bestimmen kann. GPS steht für „Global Positioning System“. Übersetzt ins Deutsche heißt das „Globales Positonsbestimmungs-System“.
Um GPS zu nützen benötigt man einen GPS-Empfänger. So ein Empfänger ist beispielsweise in ein Smartphone oder ein Navigationsgerät eingebaut. Das Gerät muss sich am besten unter freiem Himmel befinden, so dass es Funk-Signale von GPS-Satelliten empfangen kann.
Der GPS-Empfänger liefert GPS-Koordinaten über den Standort. Die Koordinaten entsprechen dem Breitengrad und dem Längengrad auf einem Globus. Die Frauenkirche von München ist beispielsweise an den Koordinaten (48.138937, 11.573039), wobei die erste Zahl der Breitengrad ist, und die zweite Zahl der Längengrad. Eine andere gebräuchliche Schreibweise für diese Koordinaten ist (48°08'20.2"N 11°34'22.9"E).
Diese Grad-Einteilung wird auch von vielen Landkarten verwendet. Daher kann man mit den GPS-Koordinaten einen Punkt auf einer Landkarte finden. Ein Navigationsgerät macht das automatisch. In einem Smartphone gibt es verschiedene Möglichkeiten. Sehr häufig ist die Verwendung der App von Google Maps. Es gibt auch spezielle Apps z.B. für Fahrradfahren oder Wandern. Eine kostenlose Möglichkeit, die freiwillig von Benutzern verbessert wird, ist die Verwendung von OpenStreetMap im Browser oder als App.
Auch für das Spiel Geo-Caching wird GPS verwendet. Bei diesem Spiel muss man Dinge finden, die jemand irgendwo versteckt hat.
Speditionen nützen oft das so genannte GPS-Tracking. Dabei wird ein GPS-Gerät in einem Lastwagen oder einem Container befestigt. Das Gerät sendet seine Position regelmäßig an die Spedition. Dadurch weiß die Spedition wo die Ware gerade unterwegs ist.
Mit GPS kann auch die Position eines Smartphones „getrackt“ werden, wenn man immer alle Ortungsdienste eingeschaltet hat. Dann können beispielsweise Programme herausfinden, wo Du gerade bist und Dir passende Werbung senden. Wenn man das nicht möchte, muss man sich genau überlegen, welche App den Ort des Smartphones verwenden darf.
Wie funktioniert GPS?
Das GPS-System benötigt 24 Satelliten, die sich ungefähr 20 000 km hoch über der Erdoberfläche bewegen. Tatsächlich umkreisen aber mehr als dreißig GPS-Satelliten die Erde. Dadurch ist es nicht so schlimm, wenn ein Satellit ausfallen sollte. Ein GPS-Satellit hat eine Lebensdauer von etwa 10 Jahren.
Die GPS-Satelliten senden ständig Signale zur Erde. Die Signale enthalten Information über den Sendezeitpunkt und den Standort des Satelliten. Wenn ein GPS-Empfänger, wie zum Beispiel ein Smartphone, oder ein Navigationsgerät, Signale von mindestens 4 Satelliten empfängt, kann es daraus berechnen, wo es sich genau befindet.
Die Satelliten werden über Bodenstationen auf der Erde laufend kontrolliert. Die Leitstellen steuern die Flugbahnen und überwachen die Genauigkeiten der Uhren in den Satelliten.
Wie wurde das GPS System mit der Zeit verbessert?
Das GPS-System ist seit 1995 in Betrieb, anfänglich mit nur 18 Satelliten. Aber schon 1998 wurde beschlossen, die Zahl auf 24 zu erhöhen. Das verbessert die Positionsbestimmung, wenn man sich an einem Ort befindet, an der man nur einen Teil des Himmels sieht, wie beispielsweise zwischen Häusern.
Bis zum Jahr 2000 war die Positionsgenauigkeit für private Anwender nur etwa 100 m. Für Navigationsgeräte war das nicht ausreichend. Nur militärische Systeme konnten die volle Genauigkeit nützen.
Heute wird eine Genauigkeit von etwa 5 m bis 15 m erreicht.
Seit dem Jahr 2018 werden nach und nach Satelliten der 3ten Generation in den Umlauf gebracht. Das kostet mehrere 100 Millionen Euro pro Satellit. Die neuen Satelliten sind präziser und ihr Sender ist stärker. Auch die Haltbarkeit soll besser sein, so dass man mit 15 Jahren Betriebszeit rechnet. Mit diesen neuen Satelliten und moderneren Empfängern wird irgendwann eine Positionsauflösung von nur 1 m machbar sein.
Warum benötigen GPS Satelliten eine Atomuhr zur Zeitmessung?
Der GPS Empfänger erhält von jedem Satellit laufend dessen Ort und die genaue Uhrzeit beim Senden. Er muss mit diesen Informationen die Zeitdauer bestimmen, die das Signal vom Satelliten zum Empfänger benötigt.
Das Funksignal breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Das entspricht 300 km in nur einer Millisekunde, also einer tausendstel Sekunde. Bei der Positionsbestimmung mit dem GPS geht es jedoch um wenige Meter. Für ein paar Meter benötigt das Licht nur millionstel Millisekunden, also Nanosekunden. Daher müssen die Uhren in den Satelliten unvorstellbar genau sein, und alle Satellitenuhren dürfen nur äusserst wenig voneinander abweichen. Diese Genauigkeit ist mit Atom-Uhren machbar.
Die Uhr im GPS-Empfänger ist lange nicht so genau. Daher benötigt er einen Trick: Er bestimmt aus den empfangenen GPS-Daten zusätzlich zur Position eine präzise Zeitinformation. Mit dieser Information kann der GPS-Empfänger die Genauigkeit seiner eigenen Uhr korrigieren. Das hilft ihm, die Zeitdauern bestimmen, wie lange die Funksignale bis zu ihm unterwegs waren. Die Zeitdauern entsprechen den tatsächlichen Entfernungen zwischen dem GPS-Empfänger und den Satelliten. Diese verwendet er, um schließlich seine eigene Position auf der Erde berechnen. Also: Je genauer die Uhren in den Satelliten sind, desto besser funktioniert das GPS für den Benutzer.
Gibt es Alternativen zum GPS?
GPS ist die übliche Kurzbezeichnung für das amerikanische NAVSTAR GPS System. GLONASS ist das entsprechende russische System, GALILEO ist das europäische System und BEIDOU das Chinesische. Zusätzlich gibt es weitere regionale Systeme, z.B. von Japan und Indien.
Moderne Mobiltelefone können sowohl Signale von NAVSTAR GPS, als auch von manchen anderen Navigationssatelliten verwenden.