Technik

Irgendwas mit Satelliten Wie funktioniert eigentlich GPS?

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Dank GPS weiß das Smartphone immer, wo es ist.

(Foto: imago/Ikon Images)

Fast jeder navigiert regelmäßig via GPS, mit jedem Smartphone kennt man so immer seine Position, egal, wo man sich auf der Welt befindet. Dass das irgendetwas mit Satelliten zu tun hat, weiß jeder. Wie aber funktioniert es genau?

Dass man einfach nur das Handy zücken muss, um in Sekundenschnelle zu wissen, wo man ist oder das Navi im Auto zuverlässig ans Ziel führt, ist für moderne Nutzer eine Selbstverständlichkeit. Den meisten ist auch bekannt, dass dabei grundsätzlich die Position mit Satelliten bestimmt wird. Wie genau das funktioniert, wissen aber nur wenige. Kein Wunder: Das Prinzip ist einfach, im Detail wird es aber kompliziert.

GPS ist nicht alleine

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Ende 2019 sollen alle Galileo-Satelliten ihre Umlaufbahn eingenommen haben.

Gewöhnlich wird die Navigation via Satelliten mit GPS gleichgesetzt, das für Global Positioning System steht. Es wurde vom US-Verteidigungsministerium ab 1973 entwickelt und ist seit 1995 voll funktionsfähig. Aber erst seit dem 2. Mai 2000 können damit auch zivile Nutzer auf rund zehn Meter genau ihre Position bestimmen. Bis dahin reduzierte das US-Militär die Genauigkeit auf etwa 100 Meter durch künstliche Signalverschlechterungen.

Genau genommen bezeichnet man ein System zur Positionsbestimmung via Satelliten als GNSS (Global Navigation Satellite System). GPS war lediglich das erste System seiner Art und ist immer noch das mit Abstand am meisten genutzte GNSS. Inzwischen gibt es unter anderem aber auch das russische GLONASS oder das chinesische Beidou, das sich noch im Aufbau befindet.

Das europäische Galileo-System ist nach dem Start von vier weiteren Satelliten im vergangenen Juli fast komplett, von 30 Satelliten sind inzwischen 26 im Orbit. Seit Dezember 2015 kann es genutzt werden, Ende 2019 sollen alle Satelliten in ihrer Umlaufbahn sein. Galileo soll dann für die Position auf ein bis zwei Meter genau bestimmen können, für zahlende Kunden sogar noch genauer.

Uhrzeit und Position

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Für Beidou sollen einmal 35 Satelliten kreisen.

(Foto: Liang xiashun - Imaginechina)

GPS besteht aus 24 Satelliten, die die Erde auf sechs Umlaufbahnen in ungefähr 20.200 Kilometern Höhe umkreisen. Insgesamt sind es mehr als 30 Satelliten, um Ausfälle und Wartungsarbeiten ausgleichen zu können. Die Satelliten haben Atomuhren an Bord und stehen mit Bodenstationen in Äquatornähe in Kontakt, die ihnen ständig übermitteln, wo genau sie sich auf ihrer Umlaufbahn befinden. So sind die Satelliten in der Lage, permanent ihre Kennung und ihre Position sowie die Uhrzeit der Übertragung zu senden.

Damit ein GPS-Empfänger "passende" Satelliten finden kann, stellt jeder Satellit auch sogenannte Almanach-Daten zur Verfügung. Sie beinhalten unter anderem allgemeine Informationen zu den Flugbahnen aller im System befindlichen Satelliten und deren Abweichungen vom optimalen Verlauf. Die Übertragung kann einige Minuten dauern, Smartphones und andere GPS-Empfänger speichern diese mehrere Tage gültigen Daten daher, um schneller startklar zu sein. Außerdem können sie den Almanach auch von Datenservern über das Internet laden und sind nicht auf die Satellitenübertragung angewiesen (AGPS).

Von der Kugel zum Punkt

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Ist man unterwegs, muss die Position laufend ermittelt werden.

(Foto: imago/Science Photo Library)

Ein GPS-Gerät vergleicht die gesendete Zeitangabe mit der eigenen Uhrzeit und kann anhand der Differenz ermitteln, wie groß der Abstand zu einem Satelliten ist. Da die Satelliten das Signal rundherum aussenden, weiß der GPS-Empfänger mit einer einzelnen Quelle nur, dass sich seine Position irgendwo auf der Außenseite einer "Kugel" befindet, deren Radius der gemessenen Entfernung entspricht.

Um die Position bestimmen zu können, muss ein GPS-Empfänger die Daten von mindestens drei Satelliten erhalten. Die "Signal-Kugeln" von zwei Satelliten überschneiden sich auf einer Kreisfläche. Die dritte "Kugel" schneidet diese an zwei Positionen. Da sich nur eine von beiden auf der Erdoberfläche befindet, kann der GPS-Empfänger die andere ausschließen.

Vier Gleichungen mit vier Unbekannten

Tatsächlich benötigt man aber wenigstens einen vierten Satelliten. Das liegt daran, dass der GPS-Empfänger keine Atom-, sondern eine Quarzuhr hat und der Abgleich der Uhrzeiten deshalb viel zu ungenau ist. Jede Tausendstel Abweichung ergibt eine Unschärfe bei der Positionsbestimmung von etwa 300 Kilometern. Weil die Abweichung aber immer gleich ist, kann ein GPS-Empfänger dies mit den Informationen des vierten Satelliten ausgleichen. Er rechnet den Fehler quasi über vier Gleichungen mit vier Unbekannten heraus.

Trotzdem ist der Radius einer ermittelten Position noch relativ groß, unter anderem durch leichte Abweichungen der Satelliten von ihren optimalen Bahnen, atmosphärische Störungen oder Signal-Reflektionen. Diese Unschärfe können unter anderem weitere Satellitensignale lindern. Zum Ausgleich werden aber auch Korrektursignale von geostationären Satelliten verwendet. Das sind Satelliten, die sich nicht auf einer Umlaufbahn, sondern immer genau über einen Punkt der Erde befinden und sich mit ihr drehen.

Außerdem setzt man sogenannte DGPS-Dienste ein. Dabei misst man Abweichungen der über GPS ermittelten Position zum exakten Standort von Referenzstationen auf der Erde. Smartphones nutzen außerdem ergänzend zu GPS die WLAN- und Mobilfunk-Netze, um die Position anhand von Sendestationen zu ermitteln.

Weiterführende Quellen:
Welt der Physik: Navigieren mit Satellit: GPS
Magicmaps: Wie funktioniert Satellitennavigation?
BitBasics: Satellitennavigationssysteme (GPS, GLONASS etc.)

Quelle: n-tv.de

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