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.