Was ist GPS?

GPS (kurz für „Global Positioning System“) ist ein globales Satellitensystem, das die Synchronisation von Ort, Geschwindigkeit und Zeit ermöglicht.

Es handelt sich um ein globales Navigationssatellitensystem, das mindestens 24 Satelliten, einen Empfänger und Algorithmen zur Synchronisierung von Position, Geschwindigkeit und Zeit für Luft-, See- und Landreisen verwendet. Das Satellitensystem besteht aus sechs erdzentrierten Umlaufbahnen mit jeweils vier Satelliten. GPS funktioniert jederzeit und bei fast allen Wetterbedingungen. Dieser Beitrag beantwortet die Frage „Was ist GPS?“ und erklärt, wie es funktioniert.

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Im Allgemeinen gibt es fünf Hauptanwendungen von GPS:

Standort: Bestimmung einer Position
Navigation: Von einem Ort zum anderen gelangen
Tracking: Überwachung von Objekt- oder Personenbewegungen
Timing: Ermöglicht die Durchführung präziser Zeitmessungen
Mapping: Erstellen von Karten der Welt

GPS ist heutzutage äußerst relevant und wird in zahlreichen Branchen für die Erstellung genauer Vermessungen und Karten, für präzise Zeitmessungen, für die Verfolgung von Position oder Standort und für die Navigation verwendet.

Einige beliebte Beispiele für GPS-Anwendungen sind:

GPS Tracker (zB. für Hunde, Katzen, Autos oder Kinder)
GPS Navigationssysteme (zB. für PKW, Motorrad oder LKW)
GPS bei einer Auto Dashcam (Autokamera)
GPS Laufuhren im Fitnessbereich
GPS in einer guten Drohne
GPS Verwendung in Spielen (zB. „Pokemon Go“)
GPS Tracking in der Logistik und im Transport
GPS im Einsatz bei Naturkatastrophen, etc..

Die GPS-Technologie wird auch auf neue und innovative Weise genutzt, wie z.B. die Verfolgung von gefährdeten Tierarten und die Misshandlung von Tieren. Um beispielsweise den illegalen Handel zu unterbinden, werden GPS-Geräte in künstlichem Elfenbein platziert, damit die Strafverfolgungsbehörden illegale Händler aufspüren und finden und gefährdete Wildtiere retten können.

Die Geschichte von GPS

Wie ist GPS entstanden?

Ursprünglich vom US-Verteidigungsministerium eingeführt, bezieht sich GPS oft auf das amerikanische Navigationssystem NAVSTAR. Es sollte nicht mit dem Begriff globales Navigationssatellitensystem (GNSS), GLONASS oder einem GPS-Empfänger (der am häufigsten als GPS bezeichnet wird) verwechselt werden.

1957 startete die Sowjetunion den Satelliten Sputnik I und machte damit den Satelliten zu einer möglichen Lösung für die Entwicklung einer besseren Geolokalisierungstechnologie. 1960 beginnt die US-Marine, U-Boote mit Satellitennavigation zu verfolgen, was zur Erfindung des TRANSIT-Systems führte.

Lange Zeit war GPS nur für den Regierungsgebrauch verfügbar. Anfang der 1970er Jahre initiierte das Verteidigungsministerium der Vereinigten Staaten das Projekt NAVSTAR (Navigation System with Timing and Ranging), das sich zu einer zuverlässigeren Methode der Ortung entwickeln sollte.

Quellenangabe: Wikipedia

Als das GPS öffentlich gemacht wurde

1978 wurde NAVSTAR Block I GPS eingeführt. Damals wurden nur vier Satelliten gestartet. Erst 1983 wurde das GPS für die Zivilbevölkerung verfügbar. Schon damals kontrollierte die Regierung das Signal und machte die GPS-Geräte weniger genau – dies wurde selektive Verfügbarkeit (SA) genannt.

In den frühen 1990er Jahren wurden die GPS-Dienste ursprünglich in den für die Öffentlichkeit bestimmten Standard-Positionierungsdienst (SPS) und den Präzisen Positionierungsdienst (PPS) für den militärischen Gebrauch unterteilt. Trotz einiger Einschränkungen in Bezug auf Abdeckung und Genauigkeit spielte GPS bei militärischen Operationen wie dem Golfkrieg 1990-91 eine bedeutende Rolle. Im Jahr 1993 wurden 24 Satelliten in Betrieb genommen, und zwei Jahre später wurde die volle Kapazität erklärt.

Die selektive Verfügbarkeit wurde von der US-Regierung im Jahr 2000 eingestellt, und 2004 schloss Qualcomm erfolgreich Tests von Live-Assisted-GPS auf einem Mobiltelefon ab. Im Jahr 2008 wurden die Satelliten des Blocks II gestartet, gefolgt vom GPS IIF-Satelliten im Jahr 2016.

Wie funktioniert GPS?

Eine Reihe von Satelliten, die die Erde umkreisen, senden ein einzigartiges Signal, das dann von einem GPS-Gerät, das sich auf oder nahe der Erdoberfläche befindet, gelesen und interpretiert wird. Um den Standort zu berechnen, muss ein GPS-Gerät in der Lage sein, das Signal von mindestens vier Satelliten zu lesen.

Jeder Satellit im Netzwerk umkreist die Erde zweimal täglich, und jeder Satellit sendet ein einzigartiges Signal, Orbitalparameter und Zeit. Ein GPS-Gerät kann zu jeder Zeit die Signale von sechs oder mehr Satelliten auslesen, es müssen aber mindestens vier sein.

Ein einzelner Satellit sendet ein Mikrowellensignal, das ein GPS-Gerät auffängt und zur Berechnung der Entfernung vom GPS-Gerät zum Satelliten verwendet. Da ein GPS-Gerät nur Informationen über die Entfernung zu einem Satelliten liefert, liefert ein einzelner Satellit nicht viele Informationen über den Standort. Satelliten geben keine Informationen über Winkel aus, was bedeutet, dass der Standort eines GPS-Geräts überall auf der Oberfläche einer Kugel sein kann – wobei der Satellit das Zentrum und der Radius die Entfernung des GPS-Geräts vom Satelliten ist.

Um dies besser zu verstehen, könnten wir ein einfaches zweidimensionales Beispiel verwenden. Anstatt sich mit Kugeln zu befassen, könnten wir uns Kreise ansehen. Wenn ein Satellit ein Signal sendet, erzeugt er einen Kreis, wobei der Radius die Entfernung des GPS-Geräts vom Satelliten ist.

Wenn wir einen zweiten Satelliten hinzufügen, erzeugt er einen zweiten Kreis, und der Ort wird auf zwei Punkte eingegrenzt – die beiden Punkte, an denen sich der Kreis schneidet. Ein dritter Satellit wird verwendet, um den Standort des Geräts zu bestimmen. Das Gerät befindet sich am Schnittpunkt aller drei Kreise, die durch die Entfernung des Geräts von einem bestimmten Satelliten erzeugt werden.

In Wirklichkeit leben wir in einer dreidimensionalen Welt, was bedeutet, dass jeder Satellit eine Kugel und keinen Kreis erzeugt. Der Schnittpunkt von drei Kugeln ergibt zwei Schnittpunkte – es wird der erdnächste Punkt gewählt.

Während wir nur drei Satelliten benötigen, um einen Standort auf der Erdoberfläche zu erzeugen, wird ein vierter Satellit oft zur Überprüfung des Standorts verwendet. Ein vierter Satellit wird auch benötigt, um uns in die dritte Dimension zu bringen und die Höhe eines Gerätes zu berechnen.

Wenn sich ein Gerät bewegt, ändert sich der Radius (Entfernung zum Satelliten). Wenn sich der Radius ändert, werden neue Kugeln erzeugt, die uns eine neue Position geben. Wir können diese Daten, kombiniert mit der Zeit vom Satelliten, verwenden, um die Geschwindigkeit zu bestimmen, die Entfernung zu unserem Ziel zu berechnen und die Zeit, die es dauern wird.

GNSS (Global National Satellite Systems)

Ein GPS wird als globales Navigationssatellitensystem (GNSS) betrachtet – das heißt, es ist ein Satellitennavigationssystem mit globaler Abdeckung. Der Begriff GNSS wird für alle Satellitensysteme mit globaler Abdeckung verwendet. Ab 2016 gibt es zwei voll funktionsfähige globale Navigationssatellitensysteme: NAVSTAR GPS und das russische GLONASS. Das NAVSTAR GPS besteht aus 32 Satelliten, die sich im Besitz der USA befinden, und ist das bekannteste und am weitesten verbreitete Satellitensystem. Das GLONASS besteht aus 28 Satelliten.

Andere Länder arbeiten am Aufbau eigener Satellitensysteme. Die EU hat an Galileo gearbeitet, das 2019 seine volle Betriebskapazität erreichte. Indien baut IRNSS, wobei 7 Satelliten geplant sind. China baut BEIDOU, wobei 35 Satelliten geplant sind.

Vergleich: GPS vs. GNSS-Geräte

Obwohl GPS eine Untergruppe von GNSS ist, werden die Empfänger als GPS (d.h. nur GPS) oder GNSS unterschieden. Ein GPS-Empfänger ist nur in der Lage, Informationen von Satelliten im GPS-Satellitennetzwerk zu lesen, während das typische GNSS-Gerät Informationen sowohl von GPS als auch von GLONASS (oder von mehr als diesen beiden Systemen) gleichzeitig empfangen kann.

Ein GNSS-Empfänger verfügt über 60 Satelliten zur Anzeige. Während ein Gerät nur drei Satelliten benötigt, um seinen Standort zu bestimmen, wird die Genauigkeit mit einer größeren Anzahl von Satelliten verbessert. Die untenstehende Grafik zeigt ein Beispiel für die Anzahl der verfügbaren Satelliten (grün dargestellt) zusammen mit der Signalstärke (Höhe der Säule), die einem GPS-Empfänger zur Verfügung steht. In diesem Fall stehen 12 Satelliten zur Verfügung.

Eine größere Anzahl von Satelliten, die Informationen an einen Empfänger liefern, ermöglicht es dem Gerät, den Standort mit größerer Genauigkeit zu berechnen. Wenn Sie beispielsweise durch das Zentrum von Seattle fahren, wo hohe Gebäude, größere Signalreflexionen und Frequenzrauschen vorhanden sind, ist GNSS genauer als ein GPS-Gerät. Mehr Satelliten geben einem Gerät eine bessere Chance, eine Positionsbestimmung zu erhalten, wenn der Empfänger den Standort des Benutzers berechnet hat.

Natürlich hat ein GNSS-Empfänger auch seine Nachteile. Die Kosten für GNSS-Chips sind höher als die von GPS-Geräten. Außerdem verwendet GNSS eine größere Bandbreite (1559-1610 MHz) als GPS (1559-1591 MHz), was bedeutet, dass Standard-GPS-HF-Komponenten (Antennen, Filter, Verstärker) nicht für GNSS-Empfänger verwendet werden können, was sich auf die Kosten auswirkt. Und schließlich wäre der Stromverbrauch etwas höher als bei GPS-Empfängern, da er mit mehr Satelliten verbunden ist und die Berechnungen zur Standortbestimmung durchführt.

Wie präzise ist GPS?

Die Genauigkeit eines GPS-Geräts hängt von vielen Variablen ab: von der Anzahl der verfügbaren Satelliten, der Ionosphäre und der städtischen Umgebung. So ist die Genauigkeit beispielsweise in offenen Gebieten ohne angrenzende hohe Gebäude, die als städtische Schluchten bekannt sind, tendenziell höher. Wenn ein Gerät von großen Gebäuden umgeben ist, wie z.B. in Downtown Manhattan oder Toronto, wird das Satellitensignal von den Gebäuden blockiert und dann von dem Gebäude abgeprallt, wo es schließlich von dem Gerät gelesen wird. Dies könnte zu Fehlberechnungen der Satellitenentfernung führen.

Im Allgemeinen bieten hochwertige Empfänger in 95% der Fälle eine horizontale Genauigkeit von mehr als 2,2 Metern und eine Genauigkeit von mehr als 3 Metern bei einem Vertrauensniveau von 99%. Einige der Faktoren, die die Ungenauigkeit eines GPS-Geräts verursachen, sind:

Messungen der Signalankunftszeit: Verzögerungen, die durch physische Hindernisse wie Berge, Gebäude, Bäume und mehr verursacht werden.
Atmosphärische Effekte: Beispiele sind Verzögerungen in der Ionosphäre, schwere Stürme und Sonnenstürme.
Ephemeriden: Das Orbitalmodell innerhalb eines Satelliten könnte falsch oder veraltet sein, obwohl dies immer weniger ein Fehler ist.
Numerische Berechnungen: Dies könnte ein Faktor sein, wenn die Hardware nicht spezifikationsgerecht ausgelegt ist.
Künstliche Interferenz: Das beste Beispiel sind GPS-Störgeräte oder Spoofs.

Glücklicherweise wurden viele der kritischen Probleme der GPS-Technologie identifiziert und sind auf dem Weg zur Lösung. Wenn diese Probleme allmählich gelöst werden, wird ziemlich klar, was im nächsten Jahrzehnt zu erwarten ist.

Wie sieht die Zukunft aus?

Obwohl das GPS extrem gut funktioniert und die Erwartungen im Allgemeinen übertroffen hat, ist es klar, dass einige bedeutende Verbesserungen notwendig sind. Wenn wir die Bedürfnisse und Mängel des Systems in den letzten zehn Jahren weiter untersuchen, sind wir besser in der Lage zu bestimmen, welche Fähigkeiten und Funktionen in ein zukünftiges GPS integriert werden sollten, um sowohl militärische als auch zivile Nutzer zufriedenzustellen.

Weltweit wird daran gearbeitet, nicht nur die Genauigkeit, sondern auch die Kosten und die Zuverlässigkeit zu erhöhen:

Australien und Neuseeland werden ein satellitengestütztes Erweiterungssystem erproben, das in der Lage wäre, den Fehler zu berechnen und Korrekturinformationen an das GPS-Gerät zu senden. Das satellitengestützte Augmentationssystem würde Daten von anderen Systemen sammeln, wie z.B. Ionosphärendaten, Uhrendrift und mehr.
Das Hinzufügen neuer ziviler Signale und Frequenzen zu den GPS-Satelliten als Teil des laufenden GPS-Modernisierungsprogramms.
Neue, kostengünstige Hybridsysteme, die in der Lage sind, auch dann kontinuierlich zuverlässige Positionsbestimmungen vorzunehmen, wenn keine GPS-Signale verfügbar sind.
Eine Studie über die Wechselwirkung von Nordlicht (Aurora Borealis) und GPS-Signalen von der aresearch-Gruppe der Universität von Bath und der European Incoherent Scatter Scientific Association (EISCAT).
Es wird erwartet, dass die GNSS-Empfänger kleiner, genauer und effizienter werden, und die GNSS-Technologie wird selbst in die kostenempfindlichsten GPS-Anwendungen eindringen.

Der Trend für die nächste Generation von GPS-Satelliten, die derzeit entwickelt werden, geht dahin, die Signale zu schützen, um sie noch nützlicher für weltweite Nutzer zu machen und weniger anfällig für Signalstörungen zu sein. Die Zukunft der GPS-Verfolgung ist entschlossen, sowohl für den privaten als auch für den geschäftlichen Gebrauch genauer und effektiver zu sein.

Weiterführende Artikel zum Thema GPS:

Quellenangaben:

https://geotab.com/blog/what-is-gps/
https://wikipedia.org/Global_Positioning_System

Was ist GPS? – Ausführliche Erklärung

Was ist GPS?