GPS, was ist das?

GPS steht für Global Positioning System, welches bisher das einzige zur Bestimmung der eigenen Position ist. Das System basiert auf Signalen, die von mehreren Satelliten in der Erdumlaufbahn gesendet werden. 

Entwickelt wurde es für das US-Militär, wo es als NAVSTAR-System bezeichnet wird. Anfangs wurde es auch nicht für zivile Zwecke gedacht, sondern wurde nur für militärische Zwecke errichtet. Der erste Satellit wurde Ende März 1978 ins All geschossen. Fertig gestellt wurde es allerdings erst 1995 wurde es mit 24 Satelliten funktionsfähig.

Aufgrund des hohen Kostenrahmens wurde das Satellitensystem auch in den zivilen Bereich kommerziell freigeschaltet. Somit war der Weg für heutige Navigationsgeräte, Handempfänger und andere Geräten ermöglicht. Neben dem GPS-System gibt es zurzeit nur eines, was funktionsfähig ist. Dies ist das russische GLONASS. In Europa beschreitet man ebenfalls den Weg zu einem eigenen System, dieses heißt Galileo.

Wie funktioniert es?

Jedes System besteht immer aus 3 Elementen, den Satelliten, Bodenstationen, die das ganze überwachen und lenken, sowie den Empfängern.

Die Satelliten umkreisen die Erde so, dass an jedem Ort immer 4 zu empfangen sind. Bei ihrer Umkreisung der Erde senden sie Mikrowellen im L-Band aus. Diese Art der Übertragung wurde gewählt, da sie kaum durch atmosphärische Störungen beeinträchtigt werden. Diese Signale werden von der Empfangseinheit aufgenommen und ausgewertet, so dass eine Position errechnet werden kann.

Positionsbestimmung, wie geht das?

Die  Funktion der Positionsbestimmung ist eigentlich eine recht simple Sache. Jeder Satellit schickt ein codiertes Signal, welches der Empfänger erkennt. Der gleiche Code ist im GPS-Gerät gespeichert. Durch den Weg vom Satelliten zum Empfänger verzerrt sich dieses Signal ein wenig. Dadurch kann das Gerät die Entfernung errechnen. Nun werden nicht nur die Signale von einem Satelliten empfangen, sondern meist von 3 oder mehr. Da die Entfernungen zu bekannt sind, kann nun eine genaue Berechnung des Standortes erfolgen. Bei einer Anzahl von 3 Satelliten spricht man auch von einer 2-D-Bestimmung, die leider nicht sehr genau ist, sprich sie hat eine sehr hohe Abweichung. Dies hängt mit der eingesetzten Berechnungstechnik in den Empfängern zusammen. Erst durch den Empfang eines vierten Satelliten kann dies behoben werden und eine so genannte 3-D-Bestimmung aufgebaut werden.

Genauigkeit von Empfängern

Es ist relativ egal, welchen Empfänger man nutzt, denn alle haben soweit die gleichen Resultate und liegen im 1-2m Bereich beieinander. Es gibt aber einige Faktoren, die den Empfang verschlechtern können und somit zu einer höheren Ungenauigkeit führen.

Abschattung

GPS-Signale können Luft, Wolken, etc ohne Probleme durchdringen, feste Materialien jedoch nicht. Daher hat man in Gebäuden, Höhlen,… meist gar keinen Empfang. Auch Bäume mindern das Signal, dadurch ist in Wäldern oft mit Empfangsschwäche zu rechnen.

Konstellation der Satelliten

Auch die Art der Satellitenkonstellation zum Empfänger spielt eine wesentliche Rolle. Sind sie gut verteilt zu empfangen, ist die Genauigkeit sehr gut. Stehen sie allerdings nah zusammen oder man empfängt sie nur in Reihe, dann ist mit hohen Abweichungen zu rechnen.

Atmosphäre

Auch die Atmosphäre unterstützt die Ungenauigkeit. Diese bremst die ausgesendeten Signale ab. Die Empfänger können da etwas mit Korrekturdaten abhelfen, was aber immer noch zu einer Abweichung von einigen Metern führen kann. Um den noch weiter entgegen zu wirken, gibt es so genannte WAAS/EGNOS-Korrektursignale, auf die wir aber später weiter eingehen.

Multipath-Effekt

Dieses tritt auf, wenn die Signale vor dem Empfang von glatten Flächen reflektiert werden. Hierzu zählen z.B. Gebäude und Felsen, jedoch ist die Abweichung sehr gering.

WAAS/EGNOS

Wurden entwickelt um die Genauigkeit zu verbessern. Hier werden die Signale von Bodenstationen ausgesendet. Die meisten der modernen Empfänger sind dafür Ausgestattet, diese Signale zu empfangen. Dadurch wird die Genauigkeit um 1-5m verbessert. Die Empfänger können hierbei beide Signale WAAS (Wide Area Augmentation System) und EGNOS (European Geostionary Navigation Overlay Service) auswerten, da sie auf identischen Wellen senden. Zu beachten ist, dass WAAS nur in Nordamerika und EGNOS nur in Europa zu empfangen ist.