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Mit Hilfe der GPS-Signale können wir überall auf der Erde unseren Standort bestimmen. Aber wo und wie werden diese Signale erzeugt?
Was ist GPS?
GPS ist die Abkürzung für ‘Global Positioning System’; das weltweit erste von Menschenhand erschaffene Satellitennavigationssystem.
GPS ist das weltweit erste Satellitennavigationssystem. Entwickelt wurde es vom US-Verteidigungsministerium, das dem System auch seinen offiziellen Namen »NAVSTAR« (Navigation Satellite Timing and Ranging) gab.
GPS besteht aus 3 grundlegenden Elementen:
• Satelliten im Weltraum
• Überwachungsstationen auf der Erde
• Und natürlich: Sie und Ihr GPS-Empfänger
Die Satelliten
GPS verfügt über 24 Satelliten, die die Erde auf sechs Umlaufbahnen umkreisen und dadurch ständig Signale aus einer Entfernung von 20.300 Kilometern bzw. 12.600 Meilen zur Erde funken. Aufgrund der großen Höhe deckt jeder Satellit einen weiträumigen Bereich der Erde ab. Zudem sind die Umlaufbahnen so berechnet, dass Ihr GPS-Empfänger jederzeit die Signale von mindestens 4 Satelliten empfängt, und das ist genau die Anzahl, die zur exakten Bestimmung Ihrer Position notwendig ist.
Die Überwachungsstationen
Es gibt 5 GPS-Überwachungsstationen: die bemannte Hauptstation in Colorado Springs (USA) und vier weitere unbemannte Stationen. Eine weitere Station befindet sich auf Hawaii, und die anderen sind auf Inseln in der Nähe des Äquators längs über den Globus verstreut: auf Ascension im Atlantik, auf Kwajalein im Pazifik und auf Diego Garcia im Indischen Ozean.
Die 4 unbemannten Stationen empfangen kontinuierlich Daten von den Satelliten und leiten diese an die Hauptkontrollstation weiter. Diese »korrigiert« die Daten und sendet sie anschließend an die GPS-Satelliten zurück.
GPS-Signale
Ihr GPS-Gerät empfängt die Signale der GPS-Satelliten und berechnet damit Ihre aktuellle Position. Der letzte und wichtigste Schritt ist natürlich die Nutzung der so gewonnenen Daten.
Jeder Satellit sendet mit geringer Leistung Funksignale auf verschiedenen Frequenzen für verschiedene Nutzer. Diese Signale werden über eine so genannte »Sichtverbindung« übertragen. Dies bedeutet, dass die Signale zwar Wolken, Glas und Kunststoff durchqueren können, jedoch durch andere Objekte wie Gebäude reflektiert werden.
Die Geschichte des GPS
Wie alles begann
1957 brachte die Sowjetunion mit »Sputnik 1« den ersten künstlichen Satelliten in die Umlaufbahn. Wissenschaftler fanden schnell heraus, dass sich anhand des Dopplereffekts der Orbit eines Satelliten bestimmen lässt. Und wenn man diese Berechnung umkehrt, kann man anhand der Satellitenumlaufbahn nach dem gleichen Prinzip die Position eines Empfängers auf der Erde bestimmen.
Die Grundlagen des modernen GPS wurden in den frühen 1960er Jahren durch das US-Militär gelegt. Navy, Air Force und Army hatten jeweils eigene Pläne und Ideen entwickelt, und im Jahr 1973 wurde schließlich ein Konzept, das Elemente von allen drei Entwicklungen vereinte, von der US-Regierung genehmigt. Aus diesem Konzept entstand das spätere NAVSTAR-Projekt.
Der erste Satellit des neuen NAVSTAR-GPS-Systems wurde 1974 in den Orbit gebracht, und zwischen 1978 und 1985 wurden 11 weitere Satelliten für Testzwecke gestartet. Die vollständige Konstellation von 24 Satelliten, die den heutigen Navigationssystemen einen GPS-Empfang auf der ganzen Welt ermöglicht, wurde im Jahr 1993 erreicht.
GPS für alle
Ursprünglich war GPS nur für militärische Zwecke entwickelt worden. Aber das änderte sich nach einer folgenschweren Tragödie. Am 1. September 1983 kam Flug Nr. KAL007 der Korea Airlines auf dem Weg von Anchorage nach Seoul vom Kurs ab, drang dabei unbemerkt in den Luftraum der damaligen UdSSR ein und wurde deshalb von einem sowjetischen SU-15-Kampfjet abgeschossen. Alle Passagiere und die Besatzung, insgesamt 269 Personen, kamen dabei ums Leben.
Zwei Wochen nach diesem tragischen Vorfall schlug US-Präsident Reagan vor, GPS auch für die zivile Nutzung freizugeben, damit derartige Navigationsfehler niemals wieder zu einer solchen Katastrophe führen könnten. Die Tragödie von Flug Nr. KAL007 der Korean Airlines war zwar nicht der einzige Grund für die Freigabe von GPS zur zivilen Nutzung, hat jedoch wesentlich dazu beigetragen.
Selektive Verfügbarkeit (SA)
Nachdem die US-Regierung ca. 12 Milliarden Dollar in die Entwicklung des genauesten Navigationssystems der Welt investiert hatte, integrierte sie in NAVSTAR eine Funktion mit der Bezeichnung „Selektive Verfügbarkeit“ (Selective Availability, SA), die die Genauigkeit der Positionsbestimmung für zivile Nutzer verminderte und außerdem sicherstellen sollte, dass Staatsfeinde oder Terroristen GPS nicht zur punktgenauen Steuerung von Waffen verwenden konnten.
Zu diesem Zweck wurden alle Satellitensignale absichtlich fehlerhaft ausgestrahlt. In militärischen Anwendungen konnte jedoch nach wie vor die volle Genauigkeit des Systems durch die Entschlüsselung einer parallel ausgestrahlten, verschlüsselten Frequenz genutzt werden. Während des Golfkriegs benötigten die US-Streitkräfte jedoch plötzlich wesentlich mehr GPS-Empfänger, als ihnen zur Verfügung standen. Das Problem wurde durch den zusätzlichen Einsatz ziviler GPS-Empfänger gelöst. Um die Genauigkeit dieser Geräte zu erhöhen, musste die SA-Funktion vorübergehend deaktiviert werden.
Schließlich verkündete Präsident Clinton im Jahr 2000, dass die SA-Funktion nunmehr endgültig abgeschaltet würde, da die »Bedrohungsanalysen« der US-Regierung ergeben hätten, dass die Deaktivierung der SA-Funktion nur eine minimale Auswirkung auf die nationale Sicherheit haben würde. Allerdings betonte der US-Präsident in derselben Rede auch, dass bei einer Gefährdung der nationalen Sicherheit die GPS-Signale in einigen Regionen jederzeit »selektiv abgeschaltet« werden könnten.
Wer verwendet GPS?
GPS hat sich weit über die ursprüngliche Zielsetzung hinaus entwickelt und ist für viele Menschen und Anwendungen unverzichtbar geworden, angefangen von der Logistikbranche bis hin zu Wettseglern, von der stressfreien Urlaubsreise bis hin zum kraftstoffsparendsten Weg, um von A nach B zu gelangen.
Und da die Positionsinformationen der Satelliten immer komplexer und fortschrittlicher werden, erschließen sich dem GPS-System ständig neue Einsatzgebiete. Dies gilt nicht nur in der Verkehrstechnik (Fahrzeugortung, Routenplanung, Geschwindigkeitskontrolle usw.), sondern auch bei weniger nahe liegenden Anwendungen wie der See- und Gebirgsrettung.
Der einfache Zugang zu diesen Informationen ist ebenfalls von hoher Bedeutung. Für Teilnehmer eines gut ausgestatteten militärischen oder wissenschaftlichen Projekts ist die Nutzung von GPS schon längst selbstverständlich. Heute kann jedoch jeder einfach in ein Geschäft gehen, ein SatNav kaufen und ohne besondere Vorbereitung das fortschrittlichste Navigationssystem in der Geschichte der Menschheit nutzen.
Die neuesten Einsatzgebiete der zivilen Satellitennavigation, z. B. die Suche nach einem günstig gelegenen Restaurant, dürften den ursprünglichen Wegbereitern der Satellitennavigation heute recht extravagant erscheinen. Aber es steht außer Zweifel, dass die kürzlich eingeführten privaten Nutzungsmöglichkeiten von GPS das Leben vieler Menschen produktiver, sicherer und leichter machen.
Wie funktioniert GPS?
Das GPS-System (Global Positioning System) verfügt über 24 künstliche Satelliten, die die Erde in einer Höhe von 20.300 Kilometern bzw. 12.600 Meilen umkreisen und dabei ständig Funksignale ausstrahlen. Durch die ausgeklügelte »Choreografie« der Umlaufbahnen wird sichergestellt, dass ein GPS-Empfänger überall auf der Erdoberfläche zu jeder Zeit eine freie Sichtverbindung zu mindestens 4 Satelliten hat und so die Signale dieser Satelliten empfangen kann.
Aus den Signalen dieser 4 Satelliten kann Ihr GPS-Gerät mit Hilfe eines Verfahrens namens »Trilateration« Ihre aktuelle Position berechnen. Die Trilateration entspricht im wesentlichen der Triangulation, jedoch mit der Ausnahme, dass dafür keine Winkel verwendet werden.
Da die Erklärung der 3D-Trilateration etwas komplex ist, beginnen wir mit der einfacheren zweidimensionalen Trilateration.
2D-Trilateration
Stellen Sie sich einfach vor, dass es Sie an einen unbekannten Ort verschlagen hätte. Sie wachen also eines Morgens in einem fremden Hotelzimmer auf und haben nicht die geringste Ahnung, wo Sie sich befinden. Also gehen Sie als erstes nach unten in die Lobby und fragen den Empfangschef: “Wo bin ich?”
“Diese Frage kann ich Ihnen leider nicht beantworten”, sagt dieser Ihnen. “Ich kann Ihnen aber so viel verraten, dass wir 955 Kilometer bzw. 593 Meilen von Kopenhagen entfernt sind.”
Damit wissen Sie zumindest, dass Sie sich irgendwo entlang eines imaginären Kreises um Kopenhagen herum befinden, dessen Radius 955 Kilometer bzw. 593 Meilen beträgt.
Mit dieser Auskunft keineswegs zufrieden gestellt begeben Sie sich auf einen Spaziergang, suchen sich ein gemütliches Café und fragen beim Bezahlen die Kellnerin, in welchem Ort Sie sich eigentlich befinden. “604 Kilometer bzw. 375 Meilen von Paris entfernt”, antwortet diese, lässt sich aber keine weiteren Informationen entlocken.
In diesem Moment fallen Ihnen die Tischservietten auf, auf denen wie durch Zufall eine detaillierte Europakarte abgebildet ist. Sie zücken Ihr praktisches Zirkelset, dass Sie zufällig dabei haben und zeichnen zwei Kreise auf eine der Servietten. Ungefähr so:
Nun wissen Sie, dass Sie sich an einem der beiden Schnittpunkte der zwei Kreise befinden müssen. Nur auf diese beiden Punkte trifft zu, dass ihre Entfernung von Kopenhagen 955 Kilometer bzw. 593 Meilen und von Paris 604 Kilometer bzw. 375 Meilen beträgt.
Wieder zurück auf der Straße können Sie einem alten Mann schließlich die Auskunft entlocken, dass Sie sich gerade 510 Kilometer bzw. 317 Meilen von Prag entfernt befinden. Sie kramen die Serviette hervor, die Sie in weiser Voraussicht im Café eingesteckt haben und zeichnen einen dritten Kreis.
Nun wissen Sie ohne jeden Zweifel, in welcher Stadt Sie sich befinden: Frankfurt am Main!
3D-Trilateration
Die 3D-Trilateration basiert auf dem gleichen Prinzip wie die 2D-Trilateration. Anstelle der drei Kreise aus dem vorigen Beispiel müssen Sie sich nun drei Kugeln vorstellen.
Nehmen wir an, Sie wissen, dass Ihre Entfernung zum Satelliten »A« 10 Kilometer oder Meilen beträgt. Dies bedeutet, dass Sie sich an einem beliebigen Punkt auf der Oberfläche einer riesigen imaginären Kugel mit einem Radius von 10 Kilometern bzw. Meilen befinden.
Wenn Sie zudem noch wissen, dass Sie sich 15 Kilometer oder Meilen entfernt vom Satelliten »B« befinden, können die Schnittmenge der beiden Kugeln bilden.
Die beiden Kugeln schneiden sich in einem perfekten 2D-Kreis.
Und wenn Sie nun auch noch wissen, dass der dritte Satellit 8 Kilometer bzw. Meilen entfernt ist, werden Sie feststellen, dass die imaginäre Kugel dieses Satelliten den vorhin erhaltenen Kreis in genau zwei Punkten schneidet (genau wie die ersten beiden Kreise im 2D-Beispiel).
Glücklicherweise steht Ihnen für Ihre Berechnungen noch eine vierte Kugel zur Verfügung: die Erde selbst. Nur einer der beiden Schnittpunkte befindet sich nämlich auf der Erdoberfläche. Und da Sie sich auf der Erde aufhalten und nicht irgendwo im Weltraum, kennen Sie Ihren Standort nun ganz genau.
Im Unterschied zu diesem Beispiel verlassen sich GPS-Empfänger übrigens in der Regel auf die Signale von mindestens 4 Satelliten, um die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu erhöhen.
Alternative Satellitensysteme
GLONASS
GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System) ist das Satellitensystem Russlands, das im Dezember 1995 seinen Regelbetrieb aufnahm. Wie GPS verwendete auch GLONASS 24 Satelliten. Im Vergleich zu GPS bot GLONASS zwar eine geringfügig höhere Präzision, hatte jedoch den großen Nachteil, dass die Lebensdauer der Satelliten nur ca. 3 Jahre betrug.
Nach der Wirtschaftskrise Russlands Ende der 90er Jahre wurden die Satelliten nicht mehr regelmäßig ausgetauscht, und das System verlor zunehmend an Effektivität. Im Jahr 2000 waren nur noch 8 der 24 Satelliten in Betrieb. In den vergangenen Jahren hat Russland jedoch mit großem Einsatz am Comeback des GLONASS-Systems gearbeitet und hofft, den uneingeschränkten Betrieb des Systems bis zum Jahr 2012 wieder aufnehmen zu können.
GPS III
GPS BLOCK III ist die neue Version des GPS-Systems. Als größte Verbesserung gegenüber dem aktuellen GPS-System wird GPS III ein stärkeres Signal ausstrahlen. Die Satelliten werden zudem einer anderen Umlaufbahn folgen, um auch höhere Breitengrade wie die skandinavischen Länder besser abzudecken. Ein weiterer großer Vorteil von GPS III ist die reibungslose Zusammenarbeit mit GALILEO, dem neuen europäischen Satellitensystem.
GALILEO
GALILEO ist das neue Satellitensystem der Europäischen Union. Einer der wichtigsten Gründe für die Entwicklung eines eigenen Satellitensystems war der Wunsch der EU, die Abhängigkeit vom GPS-System zu beenden.
GALILEO wird eine höhere Genauigkeit und eine bessere Abdeckung als GPS bieten und ist vornehmlich für die zivile Nutzung vorgesehen. Das System soll bis 2008/9 fertig gestellt werden; der erste Satellit wurde im Dezember 2005 in die Umlaufbahn gebracht. Insgesamt werden 30 Satelliten die Erde in einer Höhe von 23.600 km umkreisen.
Hier erfahren Sie alles über GALILEO.
WAAS/EGNOS
Trotz der eindrucksvollen Präzision von GPS und GLONASS wurden zwei weitere Systeme entwickelt, um deren Genauigkeit noch weiter zu erhöhen. WAAS (Wide Area Augmentation System) wird dabei auf dem amerikanischen Kontinent und EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System) in Europa verwendet.
Beide Systeme bestehen aus drei Satelliten, die Signale an Empfänger ausstrahlen. Messstationen errechnen daraus, ob das Satellitensignal eine Abweichung aufweist, und senden die notwendigen Korrekturen an zwei der drei ›geostationären‹ Satelliten. Diese geostationären Satelliten senden das Korrektursignal zurück zur Erde, wo die mit WAAS/EGNOS kompatiblen GPS-Empfänger ihre zuvor berechnete GPS-Position entsprechend korrigieren können.
Die beiden neuen Systeme GPS III und GALILEO werden WAAS und EGNOS jedoch nicht verwenden, da sie ihre etwaigen Abweichungen eigenständig messen und korrigieren können.