Jeder verwendet es im Navi oder im Smartphone, aber wie funktioniert GPS eigentlich? Und wie abhängig sind wir als Nutzer von seinen Betreibern, den USA?
Es ist nicht immer so einfach, von Punkt A zu B zu kommen. Vor allem ohne die Hilfe von Navigationsgerät oder Google Maps auf dem Smartphone. Die Technik, die uns den Weg weist, heisst GPS, für Global Positioning System. Das bringt alles, was sich bewegt, auf den richtigen Kurs, egal ob Auto, Fussgänger oder Fahrradfahrer. Und es hilft, Ortsdienste auf dem Handy zu verwenden - also etwa die Suche nach einem Café oder Arzt in der Umgebung des eigenen Standorts.
Das GPS-System wird seit 1995 von den USA betrieben, eigentlich unter dem Namen Navstar. Jeder kann es kostenlos nutzen, Voraussetzung ist nur ein Empfangsgerät mit Antenne, das das Signal empfängt. Entwickelt wurde GPS in den 1960er Jahren während des Kalten Krieges für militärische Zwecke, zum Beispiel, um die Position von Kampfflugzeugen zu bestimmen. In den kommenden Jahren wird es ein weiteres satellitengestütztes Navigationssystem geben, das europäische Galileo-System nimmt dann seinen Betrieb auf.
Wir können uns einen Alltag ohne GPS heute gar nicht mehr vorstellen, die Technologie hat unser Leben verändert. "Der naheliegendste Effekt: Wir wissen immer über unseren Standort Bescheid und können Strecken planen", sagt Thomas Froitzheim, der sich seit 1999 mit seiner Firma Naviso (www.naviso.de) mit GPS-Systemen befasst. Aber es gibt noch mehr Einsatzmöglichkeiten, die uns nicht immer so bewusst wird: Die Sendungsverfolgung von Paketen bei DHL etwa erfolgt auch mit Hilfe von GPS.
Der Experte nennt eine weitere indirekte Auswirkung: Weil Smartphones alle mit GPS-Empfängern ausgestattet sind, wissen die Provider im Netzbetrieb jeweils, wo sich ein Handy befindet. Bewegen sich alle auf einer Autobahn nicht oder nur langsam, können sie daraus schliessen, dass Stau ist. Auch zur Erdbeben- und Klimaforschung wird GPS eingesetzt - und beim spielerischen Umgang mit Aufenthaltsorten, beim "Geocachen". Dabei verstecken Nutzer Dinge an bestimmten Orten, andere müssen sie mit Hilfe der Ortung finden.
"Immer dann, wenn Standortbestimmungen erfolgen, ist GPS im Spiel", sagt Froitzheim. Sein Schwerpunkt ist die Outdoornavigation, er arbeitet dafür intensiv mit allen Herstellen von Hard- und Software zusammen und schreibt Bücher zum Thema. Ende August erscheint sein neues Werk: "GPS für Biker". Sein Ziel: Die Navigation für Wanderer und Fahrradfahrer so einfach und anwenderfreundlich wie möglich zu gestalten.
Wie die satellitengestützte Navigation funktioniert
Die Technik und ihre Nutzung ist heute so selbstverständlich wie Mobilfunk, "man kann sie nicht mehr wegdenken", sagt Froitzheim. Undenkbar, was passieren würde, "wenn die Amerikaner auf die Idee kämen, einen Knopf zu drücken und GPS abzuschalten", meint der Experte. Dafür gibt es zwar keinerlei Anzeichen, dennoch macht es aus seiner Sicht Sinn, ein zweites unabhängiges System wie Galileo zu betreiben.
Aber wie funktioniert die satellitengestützte Navigation? Eine wichtige Rolle spielt dabei die Uhrzeit, auf den ersten Blick überraschend. Das System besteht aus 32 Satelliten, die auf einer Höhe von rund 20.200 Metern auf sechs Bahnen im Orbit kreisen. Nicht alle sind ständig aktiv, manche werden gewartet oder dienen als Reserve. Es ist wichtig, dass ein GPS-Empfänger an nahezu jedem Punkt der Erde Kontakt zu mindestens vier Satelliten hat. Sie senden ständig mit Lichtgeschwindigkeit ein Radiosignal aus, das ihre aktuelle Position sowie die genaue Uhrzeit enthält. Dieses Signal kann Wolken oder Nebel durchdringen, nicht aber Beton, Holz oder Metall.
Die GPS-Empfänger in Navis oder Smartphones empfangen diese Signale. Aber nicht nur das: Sie vergleichen die Uhrzeit der Aussendung des Signals mit der Uhrzeit des Eingangs. Dabei passiert etwas ähnliches wie wenn wir schätzen wollen, wie weit ein Gewitter weg ist: Wir zählen dann die Sekunden zwischen Blitz und Donner und multiplizieren sie mit 330, weil die Schallgeschwindigkeit 330 Meter pro Sekunde beträgt. Wenn man weiss, wie lange und wie schnell ein Signal unterwegs ist, kann man also die Entfernung zwischen Quelle und Empfänger errechnen.
Die genaue Uhrzeit ist entscheidend
Beim GPS ist das so ähnlich, aber noch ein bisschen komplizierter. Denn es geht ja eigentlich nicht um die Entfernung zwischen Empfangsgerät und Satellit, sondern um die Bestimmung der Position des Empfängers. Darum wertet dieser die Signale von mindestens drei Satelliten aus. Deren Position im All ist ja bekannt beziehungsweise lässt sich genau ausrechnen und vorhersagen.
Ein Programm errechnet daraus Entfernungskreise. Wo diese sich überschneiden, ist die Position des Empfängers. Und das alles passiert ständig, denn das jeweilige Gerät bewegt sich ja fort, zum Beispiel im Auto. Aber bei der GPS-Ortung kommt es auf Genauigkeit an - bis auf wenige Meter genau müssen die Systeme arbeiten. Deshalb ist es wichtig, dass die Uhren sehr präzise sind.
Damit die Zeit so genau wie möglich gemessen wird, hat jeder Satellit mehrere Atomuhren an Bord und kann die Zeit bis 15 Stellen nach dem Komma genau angeben. Mehrere Bodenstationen sorgen dafür, dass die Atomuhren in den Satelliten synchronisiert sind und alle die gleiche Zeit anzeigen.
Aber das reicht noch nicht aus, um eine genaue Position zu ermitteln. Es gibt nämlich ein paar mögliche Fehlerquellen. Berücksichtigen muss man etwa die Erkenntnisse aus Einsteins allgemeiner und spezieller Relativitätstheorie. Die geringere Schwerkraft in der Satellitenbahn lässt die Zeit schneller vergehen, die Bewegung der Satelliten verzögert sie dagegen. Die beiden Effekte heben sich nicht auf, auf den Satelliten geht die Zeit im Vergleich zur Erde etwas vor. Diese Abweichung spielt bei der Bestimmung der Zeit, die das Signal bis zur Erde braucht, eine Rolle. Und je mehr Zeit vergeht, desto grösser wird der Fehler.
Das heisst, dass nach mehreren Stunden die ermittelte und die tatsächliche Position kilometerweit auseinanderliegen können, wenn der Fehler nicht korrigiert wird. Es gibt noch weitere Ungenauigkeiten, die berichtigt werden müssen, wenn das GPS genauer arbeiten soll. Etwa die Tatsache, dass die Umlaufbahn der Satelliten nicht ganz rund ist oder das die Signale auf ihrem Weg gestreut werden.
Was Galileo alles kann
GPS ist übrigens nicht das einzige Navigationssatellitensystem. Daneben gibt es noch das russische Glonass und das chinesische Beidou. Hinzukommen soll auch das europäische System, Galileo. Es ist seit Jahren in Planung, der Start hat sich mehrfach verzögert. Ab diesem Jahr will die Europäische Weltraumbehörde ESA aber damit beginnen, erste Satelliten ins All zu bringen. Insgesamt sollen es 30 werden, die dann noch genauer arbeiten als GPS. Möglich werden dann auch kommerzielle Dienste, die präzisere Ortsangaben ermöglichen. Und Galileo bringt Funktionen mit, die GPS nicht bietet, vor allem in Bezug auf Rettungsdienste: Es ermöglicht dann eine schnelle, weltweite Ortung der Notsender von Schiffen und Flugzeugen.
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