Wir alle nutzen regelmäßig den Satellitendienst GPS, um uns die aktuelle Position anzeigen oder zu einem voreingestellten Ort navigieren zu lassen. Heute ist in fast jedem Smartdevice, sowohl die nötige Hardware als auch die erforderliche Software installiert, um den Dienst nutzen zu können. GPS ist unter anderem bei Sportlern sehr beliebt, da sich die Strecken tracken lassen, die sie beispielsweise zu Fuß oder mit dem Fahrrad zurücklegen. Die wenigsten werden sich allerdings damit befasst haben, wie die GPS-Ortung technisch funktioniert. Diese Lücke wollen wir mit diesem Text schließen. Außerdem gehen wir darauf ein, wie GPS entwickelt wurde und was ursprünglich als Einsatzbereich vorgesehen war.

Geschichte der GPS-Technik

Die Buchstaben GPS stehen für Global Positioning System. Damit ist bereits sehr gut getroffen, was GPS ist, nämlich eine Technik, mit der auf dem gesamten Globus die Position eines Empfangsgeräts bestimmt werden kann. GPS war zunächst für die militärische Nutzung vorgesehen, schließlich wurde es in den 1970er Jahren vom US-amerikanischen Verteidigungsministerium dazu entwickelt, das bis dahin genutzte Ortungssystem abzulösen. Mit GPS sollten unter anderem Waffen, Flugzeuge und Schiffe besser geortet werden. Der Wechsel auf GPS erfolgte schließlich im Jahr 1985, etwa zehn Jahre später galt das System vollständig funktionsfähig.

In dieser Zeit wurde auch damit begonnen, GPS vermehrt für die zivile Nutzung zu verwenden. Das hatte allerdings eine entscheidende Einschränkung. Es gab eine künstliche Verschlechterung der Signalqualität, was zur Folge hatte, dass die Positionen nicht exakt bestimmt werden konnten. Diese willkürliche Abweichung betrug zum Teil mehr als 100 Meter und diente in erster Linie dem Zweck, militärischen Gegnern einen Angriff zu erschweren. Die Störquellen wurden 2000 abgeschaltet, was auch der zivilen Nutzung dienlich war. Seitdem ist es für alle möglich, die Position bis auf wenige genau zu bestimmen.

In städtischen Gebieten, wo der GPS-Empfang häufig durch andere Einflüsse gestört wird, kann die Abweichung bis zu 15 Meter betragen. Im Freien ist die GPS-Ortung so genau, dass sich die Abweichungen im Idealfall auf lediglich drei Meter belaufen. Diese Eigenschaft machen sich heute unter anderem Landwirte zu Nutze, die Mithilfe von GPS-Daten die Saat auf den Feldern austragen.

GPS: Die Funktionsweise

In den Geräten, die wir zur Ortung verwenden, sind GPS-Empfänger verbaut. Ihre einzige Funktion ist, das GPS-Signal von Satelliten aufzunehmen. Sie senden selbst kein Signal aus. Damit die Ortung genutzt werden kann, sind Verbindungen zu mindestens drei Satelliten erforderlich. Je mehr Satellitensignale empfangen werden können, desto genauer ist die Ortung möglich. Die Satelliten strahlen permanent ihre aktuelle Position und die Uhrzeit aus.

Ein GPS-Empfänger benötigt eine freie Sicht auf den Satelliten, um dessen Signal aufnehmen und verarbeiten zu können. Dies geht am besten im Freien. Aber auch durch eine Fensterscheibe kann er es empfangen.

Durch das Signal registrieren die GPS-Empfänger die Distanz, die sie zu einem Satelliten haben. Empfangen sie lediglich ein Signal, wird eine bestimmte Laufbahn mit Punkten beschrieben, die die gemessene Entfernung aufweisen. Das sind jene Punkte, auf denen sich der Empfänger theoretisch befinden kann. Kommt das Signal eines zweiten Satelliten hinzu, wird eine weitere Laufbahn beschrieben. Die Schnittpunkte grenzen nun mögliche Positionen ein, in denen sich der Empfänger befindet, ein. Durch das Signal eines dritten Satelliten ergibt sich ein weiterer Schnittpunkt, der eine eindeutige Ortung ermöglicht. Damit GPS vollständig funktioniert, ist ein vierter Satellit erforderlich, über den ein Abgleich der Uhrzeit stattfindet.

Die Uhrzeit ist der entscheidende Faktor, um die Entfernung zu bestimmen: Die Wellen, die auf den Empfänger treffen, enthalten als Information die Uhrzeit, zu der sie losgeschickt werden. Da ein GPS-Empfänger mit einer eigenen Quarzuhr ausgestattet ist, kann er die Zeitdifferenz berechnen, die zwischen dem Aussenden und Empfangen des Signals vergeht. Da sich die GPS-Wellen in Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, lässt sich daraus die Strecke errechnen, die sie bis zum Auftreffen auf den Empfänger zurücklegen. Die mittels GPS-Technik gemessene zurückgelegte Distanz kann ins Verhältnis zur Zeit gesetzt werden.

Damit ist es möglich, eine Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der sich der GPS-Empfänger zurücklegt. Wegen der Ungenauigkeit, die das System hat, sollten sich allerdings insbesondere Verkehrsteilnehmer nicht alleine auf die angezeigten Werte verlassen. Auto- und Motorradfahrer sollten sich vielmehr am Wert orientieren, der auf dem Tacho des jeweiligen Verkehrsmittels angezeigt wird.

Dafür nutzen wir GPS heute

In der zivilen Nutzung kam GPS zunächst in herkömmlichen Navigationsgeräten zum Einsatz. Die Nutzer haben einen Zielort eingegeben, das Gerät hat dann einen Weg errechnet, wie dieses vom jeweiligen Standpunkt aus über die im Kartenmaterial vorhandenen Wege erreicht werden kann. Ebenso werdende heute verschiedene mobile Güter wie hochwertige Fahrräder mit einem GPS-Empfänger ausgestattet. Er ermöglicht, dass beispielsweise nach einem Diebstahl die Position bestimmt werden kann.

Dieser Einsatzbereich ist auch heute noch weit verbreitet. Allerdings sind noch viele weitere hinzu gekommen. Beim Geocaching, der sogenannten digitalen Schnitzeljagd, werden die Koordinaten eines Zielpunkts eingegeben, an dem ein sogenannter Cache versteckt ist. Ziel des Spiels ist es, diesen Cache zu finden und zu dokumentieren. Auch Apps wie Pokemon Go setzen auf eine ähnliche Weise auf GPS Daten. Hier besteht die Aufgabe des Spielers darin, bestimmte Punkte erreichen, an denen spezielle Spielfunktionen genutzt werden können. So kann die Umgebung aktiv ins Spielgeschehen integriert werden.

Bei Sportereignissen nutzen die Veranstalter zum Teil ein eigenes, engmaschiges GPS Netz, um die Teilnehmer orten zu können. Da es genauer ist, wird es beispielsweise bei der Formel 1 dazu genutzt, die jeweils aktuelle Geschwindigkeit der Autos zu ermitteln.

Es gibt auch Konkurrenten zur US-amerikanischen GPS-Technik. Das russische System Glonass ist bereits funktionsfähig. Auch aus China Stämme mit Beidou eine Alternative, die derzeit allerdings noch in der Entwicklung steckt. Bei uns in Europa ist außerdem das Satellitensystem der Europäischen Union bekannt, das den Namen Galileo trägt. Es wurde Ende 2016 gestartet, steht allerdings noch nicht für die zivile Nutzung zur Verfügung.