Das GPS, so wie es heute genutzt wird, heißt eigentlich offiziell NAVSTAR GPS. Dabei steht diese Abkürzung für Navigational Satellite Timing and Ranging – Global Positioning System. Es handelt sich hierbei um ein System zu Positionsbestimmung durch den Einsatz von Navigationssatelliten. Und das schon seit dem 17.06.1995, denn an diesem Tag wurde das GPS offiziell in Betrieb genommen.

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Inzwischen ist GPS auch im privaten Bereich weit verbreitet. Nicht nur Navis, Kameras und Smartphones verfügen über GPS, sondern auch Laufuhren sind teilweise mit GPS ausgestattet.

Wir funktioniert GPS?

Inzwischen betreiben verschiedene Nationen eigene GPS-Satelliten. Die wichtigsten sind:

  • NAVSTAR GPS (Global Positioning System) – Vereinigten Staaten von Amerika
  • GLONASS (Global Navigation Satellite System) – Russischen Föderation
  • Galileo – Europäischen Union
  • Beidou – Volksrepublik China

Vollständig einsetzbar sind aktuell aber nur NAVSTAR GPS und GLONASS. Beidou und Galileo befinden sich derzeit noch im Aufbau. Mit einer Fertigstellung wird bis zum Jahr 2020 gerechnet.

Die einzelnen Navigationssatelliten senden permanent ihre Position und die aktuelle Uhrzeit in Richtung Erde. Um daraus eine genaue Position zu machen, muss der GPS-Empfänger, also z.B. unsere GPS-Laufuhr, die Daten von mindesten vier Satelliten empfangen. Aus der Zeit, die die Signale vom Satelliten zum Empfänger benötigen, kann die aktuelle Position errechnet werden. Bei der Berechnung werden automatisch noch kleinere Korrekturen (Uhrenfehler) durchgeführt, um genaue Ergebnisse zu liefern.

GPS Funktionsweise - So funktioniert das mit dem GPS

Es wird hierbei nicht nur die genaue Position, sondern auch die Höhe ermittelt, in der sich der Empfänger gerade befindet. Ein Läufer kann mit seiner GPS-Laufuhr deshalb auch die Höhe ermitteln, die überwunden wurde.

Obwohl bereits vier Satelliten theoretisch ausreichen, um die eigene Position genau zu bestimmen, ist es bei heutigen Geräten aber üblich eine Verbindung mit 6 bis 12 Navigationssatelliten aufzubauen. Die Berechnungen sind so einfach genauer möglich. Noch genauer wird das System durch feste Empfangsstationen, die ein Korrektursignal senden. So ist eine Positionsbestimmung bis auf 1 cm genau möglich.

Ein voll ausgebautes Satellitensystem besteht übrigens aus 24-30 Satelliten, die in rund 25.000 km Höhe die Erde umkreisen. Damit wird sichergestellt, dass auf jedem Punkt der Erde zu jedem Zeitpunkt mindestens vier Satelliten „sichtbar“ sind. Wie bereits erwähnt sind es aber im Normalfall 6 bis 12 Satelliten, zu denen eine Verbindung besteht.

So wird die Position mit GPS berechnet

Ich hatte ja schon erwähnt, dass jeder Satellit permanent seinen eigenen Code und seine spezifischen Bahndaten aus. Und das jede Millisekunde. Natürlich bleibt ein Satellit nicht permanent am gleichen Ort, sondern er saust mit 3,9 km/s durchs Weltall. Entsprechend ändert sich natürlich immer die Entfernung zwischen dem Satellit und dem Empfänger auf der Erde. Und natürlich auch die Signallaufzeit, also die Zeit, die das Signal vom Satellit zum Empfänger benötigt.

Die selben Daten werden im Empfänger selbst berechnet und mit den empfangen Daten vergleichen. Die Differenz beider Werte ist die Signallaufzeit. Unbedingt nötigt dafür ist eine extrem genaue Uhr. Und da nicht in jedem Empfänger eine Atom-Uhr verbaut ist, wird einfach der bekannte Fehler der Uhr im Empfänger in die Berechnung mit einbezogen.

Und deshalb werden auch vier Satelliten für die Positionsbestimmung benötigt. Drei Satelliten dienen der Bestimmung der Raumkoordinaten und ein Satellit wird zur Berechnung des Empfängeruhrenfehlers. Was dann kommt ist jede Menge Mathematik, um z.B. auch die verschiedenen Fehlerquellen zu eliminieren (z.B. Veränderung des Signals in der Atmosphäre und in der Ionosphäre).  Als Ergebnis erhält man dann die geographische Länge, geographische Breite und die Höhe über dem definierten Referenzellipsoid.

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