GPS-Wissen: Wie funktioniert GPS?
Was ist GPS?
aktualisiert 10/2024
Funktionsweise |
Funktionen/Einsatzgebiete
Genauigkeit |
Multi-GNSS und Multi-Band
GPS steht für 'Global Positioning System' und ist ein satellitengestütztes Navigationssystem, das ursprünglich vom US-Verteidigungsministerium zur weltweiten Positionsbestimmung entwickelt wurde.
Seit 2000 ist GPS (offiziell NAVSTAR GPS) auch für zivile Zwecke mit hoher Genauigkeit verfügbar. Neben der Nutzung im Fahrzeug hat sich das System im Outdoor-Bereich, etwa bei Wanderern und Radfahrern, etabliert. Bei klassischen Outdoor-GPS-Handgeräten ist Garmin Marktführer.
Seit etwa 2010 verbreiten sich Smartphones mit integrierten GPS-Empfängern rasant. Derzeit im Trend ist die Nutzung im Bereich 'Sport und Training' durch Fitness-Tracker und GPS-Uhren.
Einige GPS-Geräte und Smartphones unterstützen zusätzlich andere globale Navigationssatellitensysteme wie GLONASS oder GALILEO, weshalb der Überbegriff GNSS ('Global Navigation Satellite Systems') lautet.
Dank GPS kann der genaue Standort fast überall und jederzeit ermittelt werden. Diese Positionsbestimmung bildet die Grundlage für Funktionen wie Kartendarstellung und Routing.
Wie funktioniert GPS?
Momentan umkreisen etwa 30 Satelliten des NAVSTAR-GPS-Systems die Erde und senden kontinuierlich Signale aus. Ein GPS-Empfänger vergleicht die Zeit, zu der das Signal gesendet wurde, mit der Zeit, zu der es empfangen wurde. Aus der Zeitdifferenz und den bekannten Positionen der Satelliten kann die Entfernung zwischen dem GPS-Gerät und den Satelliten berechnet werden.
Mithilfe der Signale von drei Satelliten lässt sich die Position des Empfängers durch sogenannte Trilateration bestimmen. Eine genaue Positionsbestimmung bis auf etwa 5 Meter ist allerdings erst ab vier Satelliten möglich, wodurch auch die Höhe berechnet werden kann.
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 hängt unter anderem davon ab, wie viele Satelliten empfangen werden können und in welcher Konstellation sie sich befinden. Eine gleichmäßige Verteilung der Satelliten am Himmel ist optimal. Wenn alle empfangenen Satelliten auf einer Linie liegen, funktioniert die Trilateration aufgrund geometrischer Einschränkungen nicht.
Täler, Schluchten oder Gebäude können die Signale abschirmen, was die Position ungenauer macht oder den Empfang komplett abbrechen lässt. Auch das Fahren oder Gehen direkt an einer Bergwand reduziert die Genauigkeit. In Tunneln oder Höhlen ist GPS daher nicht nutzbar, und in Gebäuden entsteht eine (meist ungenaue) Position an Fenstern oder durch Signalreflexionen. Smartphones können innerhalb von Gebäuden durch zusätzliches WLAN oder Mobilfunk eine recht hohe Genauigkeit erreichen, was als A-GPS (Assisted GPS) bezeichnet wird.
Der Einfluss des Wetters auf GPS ist gering, aber Wasser absorbiert die GPS-Signale. Daher können starker Schneefall oder dichtes Blattwerk die Genauigkeit beeinträchtigen.
Multi-GNSS und Multi-Band
Multi-GNSS bedeutet, dass der GPS-Chip auf mehrere Global Navigation Satellite Systems gleichzeitig zurückgreifen kann. Dies ermöglicht es, potenziell mehr Satelliten zu empfangen und die optimale Konstellation auszuwählen: US NAVSTAR (31 Satelliten), russisches GLONASS (22 Satelliten) und europäisches Galileo (22 Satelliten). Besonders in tiefen Tälern oder städtischen Gebieten, wo viele Satelliten abgeschirmt sind oder sich in einer Linie befinden, ermöglicht Multi-GNSS in der Regel eine genauere Positionsbestimmung.
Multi-Band bedeutet, dass der Chip mehrere Frequenzen auswerten kann (z.B. GPS L1/L5 und Galileo E1/E5a), und dass reflektierte Signale herausgefiltert werden.
Insgesamt ist eine Genauigkeit von maximal 2 Metern möglich, jedoch keine Vermessungsgenauigkeit.
