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 Positionsbestimmungs-System“.
Um GPS zu nützen, benötigt man einen GPS-Empfänger. So ein Empfänger ist beispielsweise in ein Smartphone, ein Navigationsgerät oder einen GPS-Tracker 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 des Standortes. Die Koordinaten entsprechen dem Breitengrad und dem Längengrad, also Winkelangaben auf einem Globus. Die Frauenkirche von München hat beispielsweise die 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 in Grad-Minuten-Sekunden-Einteilung ist (48°08'20.2"N 11°34'22.9"E). N steht für den Winkel in nördlicher Richtung und E für den Winkel in östlicher Richtung.
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 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, also das „Verfolgen“ mit Hilfe von GPS. Dabei wird ein GPS-Tracker 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. Solche Tracker gibt es beispielsweise auch für Hunde oder Fahrräder, damit diese nicht verloren gehen.
Mit GPS kann auch die Position eines Smartphones „getrackt“ werden, wenn man immer alle Ortungsdienste eingeschaltet hat. Dann können Apps herausfinden, wo du gerade bist und dafür sorgen, dass Dir beispielsweise passende Werbung gesendet wird, oder sie können die Position auch an andere Personen melden. 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 Kilometer 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 zehn Jahren.
Die GPS-Satelliten senden ständig Signale zur Erde. Die Signale enthalten Informationen über den Sendezeitpunkt und den Standort des Satelliten. Wenn ein GPS-Empfänger Signale von mindestens vier Satelliten empfängt, kann er daraus berechnen, wo er sich genau befindet. Wenn die Anzahl Satelliten größer ist, dann steigt die Genauigkeit der Positionserkennung.
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 dem Jahr 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 dem man nur einen Teil des Himmels sieht, wie beispielsweise zwischen Häusern.
Bis zum Jahr 2000 war die Positionsgenauigkeit für private Anwender nur etwa 100 Meter. Für Navigationsgeräte war das nicht ausreichend. Nur militärische Systeme konnten die volle Genauigkeit nützen. Heute wird eine Genauigkeit von etwa 5 bis 15 Metern erreicht.
Seit dem Jahr 2018 werden nach und nach Satelliten der dritten 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 einem Meter machbar sein. Für spezielle Zwecke, beispielsweise bei der Vermessung, wird eine noch höhere Genauigkeit angestrebt.
Warum benötigen GPS-Satelliten eine Atomuhr zur Zeitmessung?
Der GPS-Empfänger erhält von jedem Satelliten 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 Kilometern 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 Quarz-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 Zeitdauer zu bestimmen, wie lange die Funksignale bis zu ihm unterwegs waren. Die Zeitdauer entspricht der tatsächlichen Entfernung zwischen dem GPS-Empfänger und den Satelliten. Diese verwendet er, um schließlich seine eigene Position auf der Erde zu berechnen. Also: Je genauer die Uhren in den Satelliten sind, desto besser funktioniert das GPS für den Benutzer.
Gibt es andere Systeme als 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.