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GPS » Global Positioning System, Satellitennavigation erklärt

Woher weiß das Navigationsgerät in meinem Auto wo wir sind? 

Fragt man das andere Navi-Besitzer, erhält man meist als Antwort: Na, vom GPS-Satellit!  Ah ja, und woher weiß der GPS-Satellit, wo das Navi sich befindet? Leider bleibt die Folgefrage in den meisten Fällen unbeantwortet.

Und das, obwohl fast jeder schon einmal die Vorzüge einer modernen Satellitennavigation genutzt hat. Das Erreichen unbekannter Reiseziele oder die Fahrt durch das Straßengewirr fremder Großstädte werden mit einem Navigationsgerät quasi zum Kinderspiel. Die dadurch verbundene Zeiteinsparung wissen nicht nur Außendienstmitarbeiter sehr zu schätzen. 

Aber wie genau funktioniert das mit der elektronischen Orientierungshilfe, die auf den Namen GPS hört? Wir erklären Ihnen gerne die ausgeklügelte Technik, die hinter einem globalen Navigationssatellitensystem oder auch GNSS steckt.

Dank Navi wird die Orientierung im Straßenverkehr zum Kinderspiel.


Was ist das Satelliten-Navigationssystem GPS?

GPS steht für Global Positioning System und beschreibt die weltweit funktionierende Bestimmung der eigenen Position mit Hilfe von Satelliten. Die korrekte Bezeichnung lautet NAVSTAR GPS und ist die Abkürzung der amerikanischen Bezeichnung Navigational Satellite Timing and Ranging Global Positioning System. Das GPS-System wird vom US-Verteidigungsministerium betrieben und ist seit den 1990er Jahren einsatzbereit.   

Allerdings war es zu Beginn für die zivile Nutzung eher weniger geeignet. Denn eine künstlich erzeugte Ungenauigkeit (Selective Availability) verschlechterte die Ergebnisse für nicht militärische Zwecke. Abweichungen von mehr als 100 m waren die Folge. Erst als am 2. Mai 2000 die künstliche Verschlechterung abgeschaltet wurde, konnten auch zivile Nutzer Ortungsgenauigkeiten von unter 10 m erreichen. Damit war der Weg frei, GPS für die unterschiedlichsten Anwendungen zu nutzen.

Navigationssatelliten erleichtern die Orientierung auf der Erde.


Wie funktioniert GPS?

Die GPS-Satelliten wissen definitiv nicht, wo sich unsere Kfz-Navis, Smartphones mit Navigationshilfe und all die sonstigen GPS-Empfänger befinden. Das müssen sie auch nicht wissen.

Denn die GPS-Satelliten senden einfach nur ihre GPS-Daten in kontinuierlicher Reihenfolge zur Erde. Mehr tun sie nicht. Doch diese ausgeklügelten und codierten Daten haben es in sich. Denn anhand dieser Informationen kann jedes Navigationsgerät den eigenen Standort in Sekundenschnelle berechnen. Was in der Theorie recht einfach klingt, ist in der Praxis aber ausgesprochen aufwendig.

Anzahl von GPS-Satelliten

Schematische Darstellung der Satellitenbahnen mit einem Teil der Satelliten.

Zunächst benötigt man eine gewisse Anzahl von Navigations-Satelliten. Im Fall von GPS sind das 24 – 30 Satelliten, die auf 6 Bahnebenen und in ca. 20.200 km Höhe die Erde umkreisen. 

Dadurch ist gewährleistet, dass dauerhaft mindestens vier und in der Praxis sechs bis acht Satelliten gleichzeitig empfangen werden können. 

Die Satelliten haben hochpräzise Atomuhren an Bord und umkreisen die Erde zweimal pro Sterntag. Ein Sterntag dauert exakt 23 Stunden, 56 Minuten und 4,091 Sekunden.

Das ergibt eine stattliche Satelliten-Geschwindigkeit von ca. 3,9 km/s.


Die Abstandsberechnung

Über die Signallaufzeit wird der Abstand vom Satellit zur Erde errechnet.

Der Satellit sendet seine individuelle Kennung, die aktuelle GPS-Zeit und seine Bahndaten in fortlaufender Reihenfolge zur Erde.

Mit diesen Informationen kann dann im Empfänger für jeden Zeitpunkt die dazugehörige Satellitenposition ganz genau berechnet werden.

Anhand der Laufzeit des Signals vom Satellit zum Empfänger (ca. 0,07 Sekunden) kann zudem der Abstand des Empfängers zum Satelliten errechnet werden.

Damit stehen die wichtigsten Daten fest. Der Empfänger weiß wo sich der Satellit zu einem bestimmten Zeitpunkt befunden hat und wie groß der Abstand war.


Die Positionsbestimmung

Zur Positionsbestimmung sind mindestens drei Satelliten erforderlich.

Allerdings ist mit den Werten eines einzigen Satelliten noch keine Positionsberechnung möglich. Erst wenn mindestens 3 Satelliten empfangen und die Daten ausgewertet wurden, funktioniert eine Positionsbestimmung bzw. kann die genaue Position berechnet werden.

Oder anders erklärt: Werden an drei Punkten, bei denen die Position bekannt ist, drei unterschiedlich lange Strecken anlegt, kann per Triangulation der Punkt berechnet werden, an denen sich die drei Strecken treffen.

Theoretisch gäbe es noch einen zweiten Punkt jenseits der Satelliten im All, aber der ist für unsere Betrachtung bzw. die GPS-Navigation nicht relevant.


Der Zeitfaktor

Der vierte Satellit dient lediglich zur Synchronisierung der Empfängerzeit.

Damit der GPS-Empfänger die unterschiedlichen Laufzeiten der Satellitensignale und somit den Abstand zum Satellit exakt bestimmen kann, muss er ebenfalls eine extrem genaue Uhr besitzen. Denn eine Abweichung der Empfängeruhr von nur 1/1000 Sekunde (Millisekunde), würde einen Streckenfehler von ca. 300 km zu Folge haben.
Da in den Empfängern keine hochgenauen Atomuhren verwendet werden können, muss die Zeitabweichung der Empfängeruhr zur GPS-Zeit individuell ermittelt werden. Dazu muss neben den drei Satelliten zur Positionsbestimmung ein vierter Satellit für die Zeitkorrektur empfangen werden. Somit ist für eine exakte Positionsbestimmung der Empfang von mindestens vier Navigations-Satelliten erforderlich.

Dank der codierten Signalübertragung (C/A-Code) kann die Empfängeruhr soweit synchronisiert werden, dass die Entfernung zum Satellit mit einer Abweichung von nur wenigen Metern berechnet wird.

Übrigens:
Da die GPS-Systemzeit keine Schaltsekunde aufweist, eilt die GPS-Systemzeit mittlerweile um ca. 20 Sekunden der Universalzeit UTC voraus. Der Grund dafür ist die Tatsache, dass ein durchschnittlicher Sonnentag einen Sekundenbruchteil länger als 86.400 Sekunden dauert. Deshalb wird in die Universalzeit UTC in regelmäßigen Abständen eine zusätzliche Schaltsekunde eingefügt. 


Die Datenausgabe

Die von Navigationsgerät berechneten Zielkoordinaten beziehen sich bei GPS auf das World Geodetic System 1984 (WGS84), das als einheitliche Grundlage für Positionsangaben auf der Erde und im erdnahen Weltraum dient. In diesem System können GPS-Koordinaten als geographische Breite und geographische Länge wie z.B. 45° 12` 25,18`` N / 7° 1` 12,3`` E oder als Dezimalangabe  48,175741° / 6,025975° angegeben werden. Die Dezimalwerte für Positionen südlich des Äquators oder westlich des Nullmeridians (Londoner Sternwarte in Greenwich) werden vom Gerät mit einem negativen Vorzeichen angegeben.

Wird im Navigations-Gerät entsprechendes Kartenmaterial hinterlegt, kann die aktuelle Position in eine Karte mit Straßen eingeblendet werden. Bei Computern oder Smartphones können die Wegdaten auch in Google Maps angezeigt werden.

Bei einem Kfz-Navi kann die Darstellung auf unterschiedliche Weise erfolgen.


Wie hoch ist die Genauigkeit bei GPS?

An Empfänger-Position 1 ist keine GPS-Navigation möglich. Position 2 hat sehr guten Empfang und Position 3 guten Empfang.

Die Genauigkeit bei GPS liegt im Regelfall unter 10 m und ist von vielen Faktoren abhängig.

Neben den Zeit- und Laufzeitfehlern wirkt sich auch die Ionosphäre negativ auf die Genauigkeit der Positionsbestimmung aus.

Aber viele der störenden Einflüsse lassen sich reduzieren, wenn die Anzahl der empfangbaren Satelliten zunimmt. Wenn nicht nur drei sondern sechs, sieben oder noch mehr Satelliten für die Positionsbestimmung genutzt werden können, ist die Genauigkeit der Positionsbestimmung deutlich höher.

Allerdings benötigt der Empfänger „freie Sicht“ zum Satelliten. Leider ist der ungestörte GPS-Empfang nicht immer möglich.

Gebäude, Bäume und der natürlichen Geländeverlauf können das Signal abschatten oder auch reflektieren.

Abschattung in Städten

Viele Touristen nutzen die Navi-Funktion Ihres Smartphones, um beim Stadtbummel unterschiedliche Sehenswürdigkeiten oder auch Restaurants  leichter zu finden. Besonders in Städten mit hohen Häusern oder engen Gassen kann es dabei zu massiven Abschattungen kommen. 

Übrigens:
Wird das aktuelle Kartenmaterial online genutzt, geht das auf Kosten des Datenvolumens. Werden die Karten vorab auf das Smartphone geladen, wird viel Gerätespeicher benötigt. Besonders bei Auslandsreisen muss man sich gut überlegen, für welche Version man sich entscheidet. Denn bei der Online-Navigation können schnell hohe Kosten entstehen.

Hochwertige Quadrocopter, die für Foto- und Videoaufnahmen genutzt werden, empfangen neben den GPS-Satelliten auch die Signale des Navigationssystems GLONASS. Dadurch erhöht sich die Anzahl der empfangbaren Satelliten und auch die Genauigkeit bei der Positionsbestimmung enorm.

Somit sind die Copter in der Lage, ihre Schwebeflug-Position selbsttätig auf wenige Zentimeter genau einzuhalten.

Dank GPS und GLONASS ist zentimetergenaues Schweben möglich.


DGPS – das bessere GPS-System

Dank der zusätzlichen Korrekturdaten wird die für die Feldarbeit notwendige exakte Navigation erreicht.

Die Abkürzung DGPS steht für Differential Global Positioning System. DGPS wird dann eingesetzt, wenn z.B. landwirtschaftliche Maschinen für die Feldarbeit zentimetergenau gesteuert werden müssen.

Aber auch im Vermessungswesen wird DGPS genutzt. Dazu ermitteln klassisch vermessene GPS-Empfangsstellen (1) als Referenzstationen die Abweichung von den errechneten GPS-Positionsdaten zur der tatsächlichen Position.

Die entsprechenden Korrekturdaten (grün) werden an Verteilerstationen (2) übermittelt, welche die Korrekturdaten per Funk (rot) oder auch online über das Internet verbreiten.

Parallel dazu wird das Signal der Korrekturdaten (schwarz) auch über geostationäre Satelliten (3) verteilt, damit die Korrekturwerte flächendeckend auch für große Gebiete zur Verfügung stehen. Für Europa übernimmt das DGPS-System EGNOS diese Aufgabe.


Häufig gestellte Fragen zu GPS

Was bedeutet GLONASS?

GLONASS steht für Globales Navigations-Satelliten System und ist die russische Version des US-amerikanischen NAVSTAR GPS. GLONASS basiert auf einem System, das GPS sehr ähnlich ist. Darum können z.B. Quadrocopter die Signale beider Systeme zur Navigation bzw. für autarke Flugmanöver nutzen.
 

Was ist das Galileo Navigations-System?

Das europäische GPS System Galileo wird im Gegensatz zum US-amerikanischen NAVSTAR-GPS, dem russischen GLONASS-System oder dem chinesischen Beidou-System nicht von militärischen Einrichtungen betrieben. Die Europäische Union will mit den Galileo-Navigationssatelliten eine GPS Ortung im zivilen Bereich ermöglichen und sich von anderen Ländern unabhängig machen. Inwieweit das Navigations-Gerät für Galileo-Satelliten geeignet ist, muss in den Geräteunterlagen nachgeschlagen oder beim Hersteller abgefragt werden.

 

Wie funktionieren Kompass und Geschwindigkeitsanzeige?

Wenn sich der Empfänger in einem fahrenden Fahrzeug befindet, kann anhand der Positionsveränderungen in einer bestimmten Zeit die Geschwindigkeit errechnet werden. Zusätzlich kann auch noch die Bewegungsrichtung ermittelt werden. Allerdings funktioniert beides nur bei einem Empfänger, der in Bewegung ist.  


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