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Was ist GPS und wie funktioniert es ?!
Das GPS (Global Positioning System) ist ein satellitengestütztes System zur weltweiten Standortbestimmung. Das heute noch fast ausschliesslich von zivilen GPS-Empfängern genutzte System NAVSTAR wurde im Auftrag des US-Verteidigungsministeriums entwickelt und ist seit 1995 vollständig betriebsfähig. Das Ministerium kontrolliert das NAVSTAR-System und kann dessen Genauigkeit, zum Beispiel bei militärischen Konflikten, für Benutzer ausserhalb des US-Militärs lokal oder global reduzieren.
Das NAVSTAR-Satellitensystem besteht aus 24 Satelliten (3 davon Reserve), die die Erde in 20’000 km Höhe alle 12 Stunden einmal umkreisen. Die NAVSTAR-Satelliten wurden von Rockwell International gebaut.
Sie sind mit ausgeklappten Sonnensegeln 5,1 m gross und wiegen 860 kg.
Die Umlaufbahnen der Satelliten sind so gelegt, dass von jedem Punkt der Erdoberfläche jederzeit gleichzeitig Sichtkontakt zu etwa 4 – 6 Satelliten besteht. Dabei kann der Sichtkontakt aber von Hindernissen wie etwa
Häusern eingeschränkt werden.
Fünf Bodenstationen in allen Teilen der Welt kontrollieren und korrigieren die Satellitenbahnen und sind laufend über deren genaue Position informiert. Sie versorgen die Satelliten mit der genauen Uhrzeit auf Basis von Atomuhren und den Bahninformationen.
Die GPS-Geräte müssen die Signale von mindestens 3 Satelliten (Bahndaten, Uhrzeit und eine Zahlensequenz) empfangen.
Sie können dann mit diesen Daten die exakte Position auf der Erdoberfläche und – sofern die Informationen von 4 Satelliten verfügbar sind – auch die Höhe über Meer ermitteln.
Ein GPS-Gerät enthält neben dem Satelliten-Empfänger eine sehr genaue Quartzuhr, einen kleinen Computer und einen Speicher. Damit kann es die empfangenen Signale in vielfältiger Weise auswerten, beispielsweise die Richtung zu einem vorgegebenen Ziel, die Himmelsrichtung und die Geschwindigkeit ermitteln – all dies jedoch nur dann, wenn das Gerät in Bewegung ist. Die Position kann es immer, auch im Stillstand, berechnen.
Wie funktioniert das Global Positioning System?
Der GPS-Empfänger ermittelt seine Distanz zu den empfangenen Satelliten, indem er die Zeit misst, die das Funksignal für den Weg vom Satelliten zum Empfänger benötigt. Im Satelliten und im GPS-Empfänger laufen zu diesem Zweck identische Zahlensequenzen absolut synchron ab. Der Satellit sendet die einzelnen Zahlen seiner Sequenz in extrem kurzen, genau definierten Zeitabständen aus, worauf sie vom GPS-Gerät empfangen werden. Der Empfänger vergleicht nun die empfangene Zahl mit den Zahlen seiner identisch ablaufenden Zahlensequenz und ermittelt, wieviele Zahlen und damit wieviele Zeittakte das Funksignal “im Verzug” ist, d.h. wie viele Zeiteinheiten es für den Weg vom Satelliten zum Empfänger benötigt hat. Die Geschwindigkeit des Funksignales (Lichtgeschwindigkeit) und die Zeit sind jetzt bekann, die Distanz kann somit berechnet werden.
Aus der ermittelten Entfernung zum Satelliten als Mittelpunkt und dessen genau bekannter Position ergibt sich eine Kugeloberfläche im Raum, auf der sich unser Empfänger befinden muss. Um die Position zu bestimmen, müssen drei Satelliten mit exakt bekannten Standorten verfügbar sein, von denen sich jeder im Mittelpunkt je einer imaginären Kugel mit dem vom Empfänger berechneten Radius befindet. An dem Punkt, in dem sich alle drei Kugeloberflächen schneiden, befinden wir uns mit unserem GPS-Empfänger! Da unserem GPS-Gerät die Standorte der drei Satelliten bekannt sind, kann es nun unseren Standort berechnen – und zwar bei regulären Bedingungen auf weniger als 5 Meter genau!