Wenn Sie das letzte Mal Ihr Handy benutzt haben, um sich von Google Maps Ihren genauen Standort auf einer Karte anzeigen zu lassen, haben Sie sich da jemals gefragt, wie GPS so genau funktioniert?
Das Global Positioning System (GPS) wurde 1973 vom US-Verteidigungsministerium (bekannt als NAVSTAR) eingeführt. Bis 1993 gab es 24 GPS-Satelliten, die die Erde umkreisten und Bahn- und Positionsdaten übermittelten, die das Militär für Navigationszwecke und andere militärische Zwecke nutzen konnte. Heute sind es 28.
In den 1980er Jahren wurden die von den GPS-Satelliten übertragenen Daten für die Öffentlichkeit zugänglich gemacht, wodurch sich ein ganzer Markt für die große Auswahl an GPS-Navigationsgeräten eröffnete, die wir heute haben.
Zum Zeitpunkt der Abfassung dieses Artikels haben Russland, China, Europa und Indien alle ihre eigenen aktiven GPS-Systeme. Japan entwickelt sein eigenes GPS-System, das 2023 einsatzbereit sein soll.
Wie funktioniert GPS?
Während die Satellitentechnologie, auf der GPS basiert, sehr fortschrittlich ist, ist die Funktionsweise des Systems beeindruckend einfach.
Es gibt drei Komponenten für jedes einzelne GPS-Navigationssystem.
- Satelliten: GPS-Satelliten umkreisen die Erde und senden ihre aktuelle Zeit und Orbitalposition an alle GPS-Empfänger auf ihrer Seite des Planeten.
- Kommandozentrale: Das Kommandozentrum überträgt Bahndaten, Zeitkorrekturen und die Orbitalposition anderer Satelliten bis zu den Satelliten in der Umlaufbahn.
- GPS-Empfänger: Ein GPS-Empfänger auf der Erde empfängt die Orbitalzeiten von so vielen Satelliten wie möglich und berechnet seine eigene Position auf der Erde auf der Grundlage der Positionen von mindestens vier GPS-Satelliten.
GPS-Empfänger nutzen ein mathematisches Prinzip, das als Triangulation bekannt ist, um ihre eigene Position zu berechnen.
Wie funktioniert die GPS-Triangulation
Von jedem Punkt der Erde aus empfängt ein GPS-Empfänger, wenn er einen GPS-Empfänger in der Hand hält (z. B. den in Ihrem Telefon), Zeitstempel von den synchronisierten Uhren der einzelnen GPS-Satelliten über ihm.
Aus den Unterschieden zwischen den Zeitstempeln und der konstanten Lichtgeschwindigkeit, mit der sich Funkwellen fortbewegen, kann der GPS-Empfänger die Entfernung zwischen Ihrem Standort und den einzelnen Satelliten bestimmen.
Dadurch erhält der GPS-Empfänger den Radius der Sphären mit den Satelliten im Zentrum und Ihrem Standort am Rand der Sphäre.
Da sich jeder Satellit in einer vorhersehbaren Umlaufbahn über der Erde bewegt, kann der Empfänger einen gespeicherten Almanach mit der aktuellen bekannten Position aller GPS-Satelliten verwenden, um zu bestimmen, wo sich diese Satelliten derzeit ungefähr über der Erde befinden.
Mit der bekannten Position jedes Satelliten und der gemessenen Entfernung zwischen diesen Satelliten und Ihrer Position kann Ihr GPS-Empfänger Ihre ungefähre Position berechnen, indem er ermittelt, wo der Schnittpunkt dieser drei Kugeln auf der Erdoberfläche liegt.
Der Empfänger zeigt Ihnen diese Position dann auf einer Karte an.
Drei Satelliten liefern eine ungefähre Position, und GPS-Empfänger benötigen ein viertes Signal von einem anderen GPS-Satelliten, um Ihre aktuelle Höhe auf der Erdoberfläche mithilfe eines anderen mathematischen Prinzips, der so genannten Trilateration, zu bestimmen.
Wie der GPS-Sensor Ihres Telefons funktioniert
Die meisten modernen Smartphones sind heute mit einem GPS-Empfängerchip ausgestattet. Dieser Chip kann die Funksignale von GPS-Satelliten empfangen.
Die Uhr Ihres Telefons ist keine Atomuhr, d.h. ihre Zeit wird nicht mit den Atomuhren der Satelliten im Orbit synchronisiert. Das spielt jedoch keine Rolle, wenn es darum geht, den Standort anhand der Signale dieser Satelliten zu berechnen.
Der GPS-Empfänger Ihres Handys konzentriert sich nämlich auf die Daten, die er von den Satelliten empfängt, und auf eine Datenbank mit bekannten Satellitenstandorten über der Erde. Da alle Satelliten über eine Atomuhr verfügen, ist die aktuelle Zeit auf jedem Satelliten zu jedem Zeitpunkt genau gleich.
Aufgrund der Entfernung zum Satelliten und der Tatsache, dass sich die Funksignale mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, zeigen die Unterschiede zwischen den einzelnen empfangenen Zeitstempeln jedoch die Entfernung zwischen Ihrem Telefon und jedem der Satelliten an.
So funktioniert der GPS-Prozess:
- Alle vier Satelliten senden um 5:12:14 Uhr den exakt gleichen Zeitstempel an Ihr Telefon.
- Dein Telefon empfängt diesen Zeitstempel um 5:12:15 von Satellit 1.
- Es empfängt den Zeitstempel um 5:12:16 von Satellit 2.
- Und schließlich, um 5:12:17, empfängt es den Zeitstempel von Satellit 3.
Damit weiß der GPS-Empfänger, dass das Funksignal von Satellit 1 eine Sekunde, von Satellit 2 zwei Sekunden und von Satellit 3 drei Sekunden gebraucht hat, um ihn zu erreichen.
Die Lichtgeschwindigkeit ist eine bekannte Konstante von 299.792.458 Metern pro Sekunde.
Mit Hilfe einfacher Mathematik kann der Empfänger berechnen, dass seine Entfernung zu Satellit 1 etwa 300.000 Meter, zu Satellit 2 etwa 600.000 Meter und zu Satellit 3 etwa 900.000 Meter beträgt.
Mit Hilfe einer Nachschlagetabelle aus einer GPS-Satellitendatenbank kennt der GPS-Empfänger Ihres Telefons die ungefähre aktuelle Position aller drei Satelliten über der Erde, was die Längen- und Breitenkoordinaten aller drei Satelliten liefert.
Mit diesen Informationen kann Ihr Handy Ihre eigenen Längen- und Breitenkoordinaten auf der Erde berechnen.
Mit den bekannten Koordinaten kann Ihr GPS-Empfänger dann die zwischen ihm und einem vierten Satelliten gemessene Entfernung verwenden, um die Höhe über der Erde zu bestimmen, in der Sie sich befinden.
Was ist ein unterstütztes globales Positionierungssystem?
Bevor Smartphones mit GPS-Schaltkreisen ausgestattet wurden, verwendeten die Menschen in der Regel tragbare GPS-Empfänger, die mit AA-Batterien betrieben wurden. Oder sie bauten GPS-Geräte in Autos ein, die mit der Batterie des Telefons verbunden waren.
Das lag daran, dass die Funkkommunikation mehr Strom benötigt. Der Nachteil dabei war, dass man oft mehrere Minuten warten musste, bis der GPS-Empfänger genügend GPS-Satelliten gefunden hatte, um die eigene Position zu berechnen.
Die Hersteller von Smartphones umgingen diese Batteriebeschränkung, indem sie die bestehende Technologie der Zelltriangulation kombinierten. Lange bevor Telefone GPS-fähig waren, konnten sie Signale von Mobilfunkmasten nutzen, um ihre Position zu triangulieren, wobei sie dieselbe Art von Triangulationszeitstempel und Entfernungstechnologie wie bei GPS-Satelliten verwendeten.
Da sich die Mobilfunkmasten jedoch auf Bodenhöhe befinden, ist diese Navigationsberechnung weit weniger genau. Daher verwendet die GPS-Software Ihres Smartphones zunächst die Triangulation von Mobilfunksignalen, um Ihre ungefähre Position zu bestimmen, und aktualisiert diese dann, sobald die GPS-Satellitendaten verfügbar sind.
So können moderne Smartphones den Akku schonen, indem sie die GPS-Daten nur dann verwenden, wenn diese Standortaktualisierungen erforderlich sind. Aus diesem Grund kann es vorkommen, dass Ihr Standort auf Google Maps gelegentlich zu einem neuen Standort springt, wenn genauere Daten verfügbar sind.