Praxis4 min Lesezeit

Ankommen – dank GPS

GPS hat die Navigation einfacher und genauer gemacht

Wenn Sie schon immer mal wissen wollten, wie das Global Positioning System funktioniert, sich aber ansonsten nur wenig für Technik interessieren, dann sind Sie hier richtig.

Von Michael Kunst, veröffentlicht am 19.04.2024

Technik-Besessene, Alleskönner, Tüftler und Detailfreaks aufgepasst: Die folgenden Zeilen sind NICHT für Euch und Sie gedacht. Vielmehr richten wir uns an alle, die wie selbstverständlich GPS zur Orientierung wo auch immer nutzen: Auf dem Boot, im Auto, beim Bergsteigen, Radfahren, Joggen etc. Und diese Selbstverständlichkeit schon immer mal zumindest im Ansatz verstehen wollten, auch wenn Technik nicht so „ihr Ding ist“.

Wer’s also einfach und verständlich will, dem wird hier die Funktionsweise des GPS kurz, knapp, klar erklärt. Garantiert ohne Pseudosignallaufzeiten, Schaltsekunden, Phasenregelschleife oder Szintillationen.

GPS. GPS? GPS!

Das Global Positioning System (Globales Positionsbestimmungssystem), mit vollständigem Namen NAVSTAR GPS, ist ein Globales Navigations-Satellitensystem zur Positionsbestimmung. Es wurde ab den Siebzigerjahren vom US-Militär entwickelt.
GPS wurde offiziell 1995 in Betrieb genommen, aber erst im Jahr 2000 schaltete die US Army eine künstliche Ungenauigkeit ab, mit der eine Nutzung für fremd-militärische Zwecke verhindert werden sollte. Vor der Abschaltung lag die Genauigkeit bei ca. 100 m, heute bei unter 10 m.

DIE BASIS FLIEGT HOCH ÜBER UNS

Die Erde wird heutzutage von einer großen Anzahl unterschiedlicher Satelliten umkreist. Für GPS sind derzeit 24 bis 30 Satelliten im Einsatz. Sie umkreisen die Erde auf sechs Bahnebenen in ca. 20.000 km Höhe.

So können mindestens vier und bis zu acht Satelliten gleichzeitig „empfangen“ werden.

WAS WISSEN DIE SATELLITEN – UND WAS NICHT?

Wer etwa auf See oder im Auto sein GPS-Navigationsgerät einschaltet und sofort seine Position erhält, könnte durchaus ein Gefühl von „ständiger Beobachtung“ – vulgo: Big Brother is watching you – haben.

Doch die GPS-Satelliten wissen tatsächlich nicht, wo wir uns gerade befinden, wenn wir ein GPS-Gerät einschalten und unsere Position bestimmen.

WAS MACHT ALSO DER SATELLIT?

Ganz profan: Er sendet permanent GPS-Daten zur Erde. Nicht mehr und nicht weniger. Anhand dieser Daten kann das eingeschaltete Navigationsgerät den Standort des Nutzers in Sekundenschnelle berechnen.

DER CLOU DER BERECHNUNG? DIE ZEIT!

Die Satelliten haben Atomuhren mit einer errechneten Abweichung von 1 Sekunde in 20 Millionen Jahren an Bord. Sie umkreisen die Erde zweimal pro Sterntag (23 Stunden, 56 Minuten und 4,091 Sekunden). Das ergibt eine Geschwindigkeit von 3,9 km/s.

WAS KANN DIE ZEIT MIT DEM STANDORT ZU TUN HABEN?

Des Rätsels Lösung liegt in der Laufzeit des Sendesignals vom Satelliten zum Empfänger. So kann der Abstand des Empfängers zum Satelliten berechnet werden. Der Empfänger weiß also, wo sich der Satellit zu einem bestimmten Zeitpunkt befunden hat – und wie groß der Abstand zwischen Satellit und Empfänger war.

DAS REICHT DOCH NOCH NICHT ZU EINER POSITIONSBESTIMMUNG!

Wer beim Navigationsunterricht aufgepasst hat – also ausgerechnet das Wissen, das durch GPS vermeintlich unnötig geworden ist – der ahnt, dass zu einer genauen Standortbestimmung mindestens drei Satelliten und ihre Daten notwendig sind. Erst wenn deren (gesendete) Daten gespeichert und umgerechnet wurden, kann die genaue Position berechnet werden. Das geschieht mittels Triangulation, also Winkelmessung innerhalb von Dreiecken. Eine Rechenarbeit, die das Empfängergerät übernimmt.

UND DIE EXAKTE ZEITMESSUNG BEIM EMPFÄNGER?

Eigentlich müsste nun auch beim empfangenden Gerät eine Atomuhr aktiv werden, um tatsächlich exakte Zeitmessungen zu ermöglichen. Doch der Einbau derartiger Hochpräzisionsgeräte in relativ kleine Empfänger ist selbstverständlich unmöglich. Nur mal so zum Vergleich: eine Ungenauigkeit von einer Millisekunde macht bei der Positionsbestimmung bereits eine Abweichung von 300 km aus.

Die Lösung: Nutzung eines vierten Satelliten, der ausschließlich dazu dient, die Zeitabweichung der Empfängeruhr zur GPS-Zeit individuell zu ermitteln.

Mittels codierter Signalübertragung (C/A-Code) kann nun die Empfängeruhr soweit synchronisiert werden, dass eine Berechnung der Entfernung zum Satelliten mit lediglich einer Fehlerquote von wenigen Metern möglich ist.

WIE ERHALTE ICH NUN MEINE EXAKTE POSITION?

Das GPS-Navigationsgerät des Empfängers berechnet Zielkoordinaten, die sich auf das World Geodetic System 1984 (WGS84) beziehen. Es dient als Grundlage für Positionsangaben auf der Erde und sogar im erdnahen Weltraum.
Dieses System gibt alle Angaben in Koordinaten als geographische Breite und Länge an, z.B.: 48° 11`20,11``N/ 9° 2`10,4`` . Sind etwa im Karten-Plotter an Bord entsprechende Karten hinterlegt, kann die Position des Bootes in Echtzeit-Darstellung auf die Karten gelegt werden.

UND WIE FUNKTIONIERT DIE BERECHNUNG DER GESCHWINDIGKEIT?

Hier spielt auch wieder die Zeit ihre Rolle. Auf einem Boot in Bewegung wird mittels der Positionsveränderungen während eines bestimmten Zeitraumes die Geschwindigkeit und die Bewegungsrichtung errechnet.

GPS ist aus dem Wassersport und im Alltag nicht mehr wegzudenken. In nahezu allen sportlichen Situationen auf Flüssen, Seen, Küstengebieten oder auf Hoher See in den Meeren und Ozeanen leistet das Global Positioning System GPS unschätzbare Dienste. Oder um es anders auszudrücken: Dank GPS ist der alte Seefahrerspruch „Navigation ist, wenn man trotzdem ankommt“ endgültig Geschichte.