Zehn Dinge, die Sie über GPS wissen müssen

Definition: Globales Positionierungssystem

Das Globale Positionierungssystem bezieht sich auf eine Konstellation von 24 Satelliten (plus einige “heiße Ersatzteile” für den Fall, dass einer ausfällt), die vom US-Verteidigungsministerium in den Weltraum gebracht wurden, um stationäre und bewegliche Objekte auf oder nahe der Erdoberfläche zu lokalisieren. Ein GPS Tracker macht es ganz einfach möglich, scheinbar verlorengegangene Sachen wiederzufinden. Die Satelliten senden Funksignale aus, die von den Empfängern zur Bestimmung von Position, Geschwindigkeit und Zeit verwendet werden.

Der Oberbegriff für ein solches System ist GNSS

GPS wird zwar allgemein verwendet, bezieht sich aber nur auf die US-Satellitenkonstellation. Der Oberbegriff für diese Systeme ist Global Navigation Satellite System, GNSS. Dazu gehören bestehende Systeme wie das russische GLONASS und in der Entwicklung befindliche Lösungen wie Galileo der Europäischen Union und COMPASS Chinas. Indien, Frankreich und Japan sind dabei, regionale Systeme aufzubauen.

• GLONASS – Wikipedia, die freie Enzyklopädie
• Galileo (Satellitennavigation) – Wikipedia, die freie Enzyklopädie
• Beidou Navigationssystem – Wikipedia, die freie Enzyklopädie

Wie GNSS funktioniert

Alle diese Systeme funktionieren ungefähr auf die gleiche Weise. Die Satelliten umkreisen die Erde und senden Informationen aus. Diese Informationen sind im Grunde genommen ein Zeitstempel. Ein Empfänger (ein Computer, der gebaut wurde, um auf Signale zu hören und die empfangenen Daten zu berechnen) sammelt die Zeitstempel von vier Satelliten und vergleicht sie mit der aktuellen Zeit. Wenn der Empfänger weiß, wo sich jeder Satellit im Weltraum befindet und wie lange jedes Signal für die Reise zur Erde gebraucht hat, kann er seinen Standort auf der Erdoberfläche bestimmen.

GNSS-Empfänger Empfangen

GNSS-Empfänger sind dafür ausgelegt, GNSS-Signale zu empfangen und zu Standortinformationen zu verarbeiten. Die Geräte fallen in drei Kategorien für unterschiedliche Anwendungen und Preispunkte. Mit dem Übergang von der Freizeit- zur Vermessungsklasse steigt die Genauigkeit und damit auch der Preis:

• Freizeit-/Verbraucherklasse
• Kartierungsgrad
• Umfrage-Note

GNSS-Empfänger können auch über Funktionen verfügen, die einen Standort in einen Punkt auf einer auf dem Gerät gespeicherten Karte verwandeln, Geschwindigkeit, Richtung und andere abgeleitete Messungen bestimmen können. Wenn der Empfänger jedoch nicht auch über eine Art Sender verfügt (wie ein Mobiltelefon), bleiben die Daten auf dem Gerät. Insbesondere haben GNSS-Empfänger keine Zwei-Wege-Kommunikation mit den Navigationssatelliten; die Satelliten werden nur ausgestrahlt.

GNSS ist nicht groß in der Höhe

Die horizontale (Orts-) Genauigkeit von GNSS-Geräten ist immer noch weit höher als die vertikale (Höhen-) Genauigkeit. Die horizontale Genauigkeit für Freizeit-/Konsumgeräte und viele Mobiltelefone beträgt etwa +/- 10 Meter (innerhalb eines Tennisplatzes), während die vertikale Genauigkeit zwei- oder dreimal so hoch sein kann, etwa +/- 20 oder 30 Meter.

Der Grund dafür, dass die vertikale Genauigkeit relativ schlecht ist, hängt mit der Geometrie zusammen. Wenn Sie in den Himmel schauen, würden Sie, wenn Sie Superman-Augenlicht hätten, rundum GNSS-Satelliten sehen. Das unterstützt eine genaue horizontale Positionierung. Wenn Sie jedoch horizontal am Horizont hinausschauen, können Sie nur Satelliten vor und über sich sehen, nicht darunter, da die Erde im Weg ist. Es ist der Mangel an Signalen, die von unten kommen, der zu einer geringeren Qualität der Höhenmessung führt.

Wenn Sie genaue vertikale Daten erfassen müssen, sollten Sie sich vielleicht andere Messwerkzeuge ansehen, um Ihre GNSS-erfassten horizontalen Daten zu ergänzen.

GNSS-Systeme arbeiten zusammen und mit anderen Positionierungsgeräten

Da mehrere GNSS online sind oder in Kürze online sein werden und eine Vielzahl von nicht-GPS-Ortungstechnologien im Einsatz sind (Wi-Fi, Mobilfunkmasten usw.), gibt es Bestrebungen, diese für verbesserte Lösungen zusammenzuführen. Hardware-Entwickler bauen Chips, die Signale von zwei oder mehr Satellitenkonstellationen empfangen, während Software-Entwickler neue Wege finden, um die Vielfalt der Ortungstechnologien für den Einsatz in verschiedenen Umgebungen (innen/außen/unterirdisch) und Situationen zu nutzen.

GPS-Interferenz

Da GPS-Signale von Satelliten sehr schwache Funksignale sind, sind sie anfällig für Störungen durch natürliche und vom Menschen verursachte Signale. Erstere umfassen Signale, die von Sonnenstürmen herrühren, und letztere von anderen Radiofrequenzprojekten einschließlich GPS-“Störsendern” (in den Vereinigten Staaten illegal). In den Jahren 2011/2012 gab es Besorgnis über GPS-Interferenzen durch einen geplanten drahtlosen Dienst einer Firma namens LightSquared. Die FCC hat beschlossen, dieses Unternehmen zu diesem Zeitpunkt nicht mit seinem Netzwerk vorankommen zu lassen.

Staatliche Kontrolle von GPS

Während das US-Verteidigungsministerium GPS entwickelt hat und betreibt, dient es einem breiten Spektrum ziviler Nutzer, von Vermessungsingenieuren über Kartographen bis hin zu Wanderern und Urlaubern, die Fotos auf ihrem Mobiltelefon geotaggen. Bis heute hat das Verteidigungsministerium GPS in keinem Teil der Welt, aus welchem Grund auch immer, “abgeschaltet”.

Navigieren mit GNSS

GNSS-Empfänger werden manchmal als Satellitennavigationsgeräte bezeichnet, d.h. als Satellitennavigationsgeräte. Das GNSS liefert einem Empfänger nur Informationen, um seine aktuelle Position, Geschwindigkeit und Zeit zu bestimmen. Alle anderen Informationen, wie z.B. die Bewegungsrichtung, eine vorgeschlagene Route zu einem Ziel, eine Karte, werden durch Software-Algorithmen und Kartendaten bereitgestellt, die auf einem Handgerät gespeichert oder auf einem Server zugänglich sind. Anders ausgedrückt: GNSS-Satelliten liefern keine Wegbeschreibungen oder Karten.

Das GPS ist falsch!

Meistens ist ein GPS-Empfänger bei der Bestimmung seiner Position innerhalb seiner Toleranz korrekt. Wenn ein Navigationssystem keine genaue Route liefert, sind andere Dinge wahrscheinlicher der Übeltäter, zum Beispiel:

Woher weiss GPS, wo Sie sind?

Es ist für uns selbstverständlich, wie leicht man sich heutzutage fortbewegen kann. Vor einem Jahrzehnt, als meine Freunde und ich 16 Jahre alt wurden und unsere Führerscheine bekamen, war ein großer, dicker Thomas-Führer das Geschenk der Wahl – ich meine, wie sonst sollte man sich in der Stadt zurechtfinden? Dann kamen TomTom, Magellan und Garmin. Und jetzt, mit der Verbreitung von Smartphones, haben wir Karten von der ganzen Welt in der Hand.

Aber selbst wenn Karten schief gehen, neigen wir dazu, die Technologie als selbstverständlich zu betrachten. Hier wird erklärt, wie die GPS-Navigation funktioniert – damit Sie sie beim nächsten Mal, wenn sie Sie an Ihr Ziel bringt, ein wenig mehr schätzen können.

Satelliten

Wir bezeichnen unsere Kartierungsfähigkeit als “GPS”, aber das Global Positioning System ist eigentlich die Bezeichnung für eine Konstellation von Satelliten – 24 von ihnen -, die die Erde umkreisen. Der erste GPS-Satellit wurde 1978 gestartet, und die vollständige Konstellation von 24 wurde im Dezember 1993 fertig gestellt und 1995 in Betrieb genommen. Der Bau des Systems kostete 10-12 Milliarden Dollar, und die jährlichen Kosten für den Unterhalt wurden auf 400 Millionen Dollar geschätzt. Jeder Satellit wiegt etwa 2.000 Pfund, und sie sind solarbetrieben und für eine Lebensdauer von etwa 10 Jahren gebaut. Jeder Satellit benötigt 11 Stunden und 58 Minuten, um die Erde zu umkreisen, was bedeutet, dass jeder Satellit zwei Umlaufbahnen pro Tag in einer Höhe von 10.600 Meilen über der Erde absolviert.

Die Satelliten waren ursprünglich für die Nutzung durch das US-Militär zur Stationierung von Waffen vorgesehen – das System war unter dem Namen NAVSTAR bekannt. Doch im Jahr 2000 öffnete Präsident Bill Clinton das GPS-System unter Berufung auf seinen globalen Nutzen für die ganze Welt. Die Nützlichkeit des Systems ist eindeutig immer wieder bewiesen worden.

Die Satelliten werden so positioniert, dass für Ihr GPS-fähiges Gerät jederzeit mindestens vier, aber bis zu 12 Satelliten sichtbar sind – die Satellitenpositionierung und die Umlaufbahnrouten werden als “Vogelkäfig” bezeichnet (siehe oben). Ihr GPS-Gerät kann Ihnen in einem Prozess, der Trilateration genannt wird, Ihren genauen Standort und Ihre Position mitteilen. Es kommuniziert mit drei in Sichtweite befindlichen Satelliten – unter Verwendung von hochfrequenten Funksignalen mit geringer Leistung, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen – und berechnet dann die Entfernung zwischen diesen Satelliten und Ihrem Gerät. Da die Satelliten ein festes Orbitalmuster haben und mit Atomuhren des U.S. Naval Observatory synchronisiert sind, neigt dieser Prozess dazu, eine genaue Ortsangabe zu liefern. Um die Genauigkeit zu verbessern, suchen GPS-Geräte jedoch in der Regel Daten von vier oder mehr Satelliten ab, insbesondere zur Bestimmung der Höhe.

Sobald Ihr GPS weiß, wo Sie sich befinden, kann es Kartenrouten, Geschwindigkeiten und andere standortspezifische Informationen wie Sonnenauf- und -untergang ermitteln. GPS-Empfänger protokollieren die Standorte der Satelliten in einem Almanach, und obwohl die Umlaufbahnen durch Mond und Sonne beeinflusst werden können, überwacht das Verteidigungsministerium der Vereinigten Staaten die genauen Positionen der Satelliten und sendet Aktualisierungen an die GPS-Empfänger.

Navigieren auf

Ihren Standort, Ihre Geschwindigkeit und Höhe zu kennen – und die eines anderen zu kennen – ist ein immens mächtiges Werkzeug, dessen Auswirkungen weit über den militärischen Gebrauch hinausgehen. Der vielleicht wichtigste Nutzen für Fußgänger besteht derzeit darin, Menschen bei der Navigation zu unterstützen, sei es zu Fuß, mit dem Auto oder mit dem Boot. Aber GPS ist auch unglaublich wichtig für Flugzeugpiloten, die es zur Vermeidung von Kollisionen während des Fluges und zur Landung einsetzen.

GPS-Navigation wird inzwischen in einer Vielzahl von Anwendungen angeboten, und die Stadtverwaltungen nutzen die Technologie und den Datenaustausch, um Verkehrsprobleme im städtischen Umfeld zu verringern. Darüber hinaus gibt es Drittfirmen – Inrix, dessen Smart Driver Network Verkehrsinformationen von Millionen GPS-fähiger Straßensensoren, Geräte und Fahrzeuge sammelt (es ist eine Partnerschaft mit Ford eingegangen), TomTom, das 65 Millionen persönliche Navigationsgeräte verkauft hat und mehr als 100 Millionen Sonden zur Gewinnung von Verkehrsdaten verwendet, und Waze, die von vielen Menschen genutzte App, die Routenoptionen auf der Grundlage von Daten anbietet, die von den mehr als 20 Millionen Nutzern der App übertragen werden, um den Autofahrern zu helfen, den Verkehr zu “überlisten” -, die mit Hilfe ihrer GPS-Positionierung Verkehrsinformationen in Echtzeit anbieten. Ohne diese Tools würden viele von uns im Stoßstangenverkehr auf der I-95 feststecken, ohne zu wissen, welche anderen Routen zur Verfügung stehen.

Warum Ihr GPS manchmal falsch ist

GPS bietet uns zwar einen großen Nutzen, aber es ist nicht perfekt. GPS bestimmt den Standort, indem es herausfindet, wie lange es dauert, bis das Signal Ihr Gerät erreicht, da es mit einer konstanten Geschwindigkeit von 186.000 Meilen pro Sekunde unterwegs ist. Wenn Sie sich also fragen, warum Ihr GPS Ihnen manchmal sagt, dass Sie nur wenige Blocks von Ihrem tatsächlichen Standort entfernt sind, gibt es ein paar Erklärungen. Erstens kann das Signal verzögert werden, wenn es verschiedene Dichten in der Atmosphäre durchläuft. Zweitens kann das Funksignal an grossen Gebäuden abprallen oder schwerlich dichtes Laub durchdringen, wodurch die Ankunft des Signals in Ihrem Gerät verzögert wird (und es wird wahrscheinlich nicht einmal funktionieren, wenn Sie sich unter der Erde befinden).

Drittens, wenn die Uhr im Empfänger ausgeschaltet ist – sie soll mit den Atomuhren synchronisiert sein, aber es könnte leichte Schwankungen geben – dann könnte die von Ihrem Empfänger wahrgenommene Entfernung falsch sein. Oben haben wir gesagt, dass Empfänger normalerweise mit vier oder mehr Satelliten kommunizieren müssen, um eine maximale Genauigkeit zu erreichen; wenn Ihr Gerät also nur mit drei von ihnen kommunizieren kann, könnte Ihr “Standort” ein wenig daneben liegen. Auch die Satellitenpositionierung spielt eine Rolle – die Genauigkeit der Trilateration kann beeinträchtigt werden, wenn die Satelliten nahe beieinander oder in einer Linie stehen.