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GPS-Wissen: Wie funktioniert GPS?

Satelliten umkreisen die Erde
GPS-Satelliten umkreisen die Erde

Was ist GPS?

Stand/Update 10/2020

GPS steht für 'Global Positioning System' und ist ein satellitengestütztes Navigationssystem, welches ursprünglich vom US-Verteidigungsministerium zur weltweiten Positionsbestimmung eingesetzt wurde.

Seit dem Jahr 2000 ist GPS (offiziell NAVSTAR GPS) auch für zivile Zwecke mit ausreichender Genauigkeit verfügbar. Neben der Navigation im PKW, hat sich das System im Outdoor-Bereich, d.h. für Wanderer und Radfahrer, etabliert. Bei den klassischen Outdoor-GPS-Handgeräten hat sich die Firma Garmin als Marktführer durchgesetzt.

Seit etwa 2010 verbreiten sich Android-Smartphones und iPhones mit integrierten GPS-Empfängern rasant. Momentan im Trend liegt der Bereich 'Sport und Training' mit Fitness-Trackern und GPS-Uhren.

Neben der US-amerikanischen Variante, greifen einige GPS-Geräte und Smartphones auch weitere globale Navigationssatellitensysteme wie GLONASS oder GALILEO zu, demnach lautet der Überbegriff eigentlich GNSS bzw. 'Global Navigation Satellite Systems'.

Dank GPS lässt sich zu jeder Zeit und an fast jedem Ort der genaue Standort ermitteln, für alle weiteren Funktionen (wie Kartendarstellung und Routing) bildet diese Positionsbestimmung die Grundlage.

Trilateration
Trilateration

Wie funktioniert GPS?

Momentan umkreisen beim NAVSTAR GPS ca. 30 GPS-Satelliten die Erde und senden Signale ab. Der GPS-Empfänger vergleicht dabei die Zeit, zu der das Signal ausgesendet wurde, mit der Zeit, zu der das Signal empfangen wurde. Aus der Zeitdifferenz und der Satellitenposition wird nun die Entfernung des GPS-Geräts vom Satelliten berechnet. Hat man die Signale von 3 Satelliten, kann man mit der sogenannten Trilateration die Position bestimmen. Bis auf 5 m genau ist der Empfang erst ab 4 Satelliten, dann ist es sogar möglich die Höhe zu berechnen.

GPS-Gerät Garmin GPSmap 62s
klassisches GPS-Gerät 'Garmin GPSmap 62s'

Wichtige Funktionen der Outdoor-GPS-Geräte

  • Bestimmung der eigenen Position (Koordinaten, auf Karte)
  • Navigation zu einem Ziel (Wegpunkt, Ort, Adresse)
  • Nachfahren/laufen einer Tour (Track aus dem Internet, Routenplanung)
  • Aufzeichnen einer Strecke (Trackverlauf, Höhenprofil, Trainingsdaten)
  • Wegpunkte markieren (eigene Position)
  • Reisecomputer (Anzeige Geschwindigkeit, Tageskilometer, Höhenmeter ...)
  • Sport und Fitness (GPS-Fahrradcomputer und -Sportuhren ...)
  • Sicherheit, GPS-Tracking und Notfallortung (nur in Kombi mit mobilem Internet oder einem Satellitenkommunikationssystem wie Iridium)

Wie genau und wie zuverlässig ist GPS?

Die Präzision der Positionsberechnung ist u.a. davon abhängig wie viele Satelliten empfangen werden können und in welcher Konstellation sich diese befinden.
Eine gleichmäßige Verteilung über dem Himmel ist hierbei optimal, liegen alle empfangenen Satelliten auf einer Linie, dann funktioniert die Trilateration schon geometrisch nicht.

Täler, Schluchten oder Bauwerke schirmen Signale ab, somit wird die Position ungenauer oder der Empfang reißt komplett ab. Auch unmittelbares Fahren oder Laufen an einer Bergwand reduziert die Genauigkeit.
In Tunneln oder Höhlen funktioniert GPS demnach gar nicht, in Gebäuden entsteht eine (meist ungenaue) Position an Fenstern oder über Signal-Reflektionen. Smartphones können in einer Wohnung per zusätzlichem WLAN oder Mobilfunk eine recht hohe Genauigkeit erreichen, man nennt dies A-GPS (Assisted GPS).

Der Wetter-Einfluss ist gering, allerdings absorbiert Wasser die GPS-Signale, d.h. starker Schneefall oder dichtes Blattwerk wirken sich ungünstig aus.

guter GPS-Empfang
Bei 'freier Sicht' zum Himmel können die Satelliten ungestört empfangen werden …
schlechter GPS-Empfang in einem Tal
… in einer Schlucht ist dies nicht möglich, die Position wird ungenau.