Die GPS-Revolution

GPS-Technologie ist mittlerweile nahezu überall auffindbar. Egal ob im Smartphone, im Auto oder auch in der Uhr. Ohne unseren Helfer aus dem Orbit wären eine Vielzahl an alltägliche Dinge wie zum Beispiel das Übersenden der aktuellen Position mittels Smartphones oder die Navigation im Auto undenkbar kompliziert. Aber auch die Luft- und Seefahrt wurde durch präzise Positionsbestimmungen revolutioniert. Flugzeuge können dank GPS selbst bei schlechtem Wetter in abgelegenen Orten laden sowie starten während Schiffe bestmöglich positioniert werden können um diese so effizient wie möglich über den Ozean zu manövrieren. Aufgrund des großen Einsatzspektrums hat sich im Zuge dessen unsere Fortbewegung und Navigation verändert und auch unsere technische Infrastruktur wurde durch neue Möglichkeiten grundlegend transformiert. Inzwischen hat sich das globale Positionsbestimmungssystem zu einem unverzichtbaren Werkzeug für zahlreiche Anwendungen und Unternehmen entwickelt, ohne welches unsere Welt heute bei weitem nicht so reibungslos und effizient wäre, wie sie es heute ist.

Wie funktioniert GPS?

Das globale Positionsbestimmungssystem (GPS) besteht grundsätzlich aus drei Segmenten. Satelliten im Weltraum, Bodenkontrollen auf der Erde und die Nutzer/Empfänger. Durch das Zusammenspiel dieser Module in Verbindung mit komplizierten Berechnungsalgorithmen wird eine genaue Kalkulation von Positionen, Geschwindigkeiten und Zeitangaben über Luft, See und Land ermöglicht. Um eine möglichst globale Abdeckung zu gewähren, umfasst das System in sechs Umlaufbahnen mindestens 24 Satelliten, wobei jeweils vier Satelliten eine der sechs Umlaufbahnen belegen. Zur Lokalisierung eines Standortes auf der Erde, werden von den 24 Satelliten theoretisch nur drei benötigt, jedoch wird zur Validierung der Daten ein vierter Satellit ergänzend beigezogen. Dieser trägt auch, durch Übermittlung von Informationen zur dreidimensionalen Positionierung, eine fundamentale Rolle bei der Bestimmung der Höhe eines Geräts bei.

Die drei Segmente:

Satelliten - Weltraumsegment:
Das Weltraumsegment besteht aus Satelliten, welche im Orbit um die Erde kreisen.
Diese senden Informationen über geografische Positionen und Uhrzeiten an die Endgeräte.

Bodenkontrollen - Kontrollsegment:
Überwachungsstationen, Steuerungsstationen und Antennen.
Diese Anlagen sind für die Koordination und Verwaltung der Satelliten sowie für die Überwachung ihrer Kommunikationsvorgänge zuständig. Derartige Überwachungsstationen sind auf fast allen Kontinenten der Welt auffindbar.

Benutzersegment:
Beim Benutzersegment handelt es sich um die Gesamtheit jeglicher GPS-Empfänger und Sender.
Dies beinhaltet Geräten wie Smartphones, Uhren, Autos, Flugzeuge und Telematiklösungen aller Art.

Wie funktioniert die Ortung im Detail?

Satelliten die sich in der Umlaufbahn der Erde befinden, senden Signale gefüllt mit Informationen zur genaue Uhrzeit, Identifikation und den aktuellen Bahnen der einzelnen Satelliten. GPS-Geräte auf der Erde empfangen diese Signale und werten diese aus. Die empfangenen Daten werden im Anschluss eingesetzt, um die Distanz zwischen dem Empfänger und dem Sender zu kalkulieren und somit die genaue Position des Gerätes zu bestimmen. Doch wie genau funktioniert das? Da das Signal omnidirektional ausgestrahlt wird, formt der Satellit beim Sendevorgang in gewisser Weise eine "Signal-Kugel". Die Entfernung zwischen dem GPS-Gerät und dem Satelliten liegt dabei im Radius dieser "Signal-Kugel". Mit Lichtgeschwindigkeit schnellen die Signale in allen Richtungen durch den Raum bis diese auf einen Empfänger treffen. Da es sich bei der Lichtgeschwindigkeit um eine bekannte Konstante handelt, kann durch die Laufzeit des Signals anhand des Zeitunterschieds zwischen dem Senden und dem Empfangen gemessen und im Anschluss in eine Entfernung umgewandelt werden. Das Ergebnis entspricht dem Radius der Signal-Kugel und somit auch der Distanz zwischen dem GPS-Gerät und einem einzelnen Satelliten.

Kommt nun ein zweiter Satellit ins Spiel, entsteht eine zweite „Signal-Kugel“ wodurch eine zweite Entfernung ermittelt werden kann. Die beiden Kugel schneiden sich - jetzt muss sich der GPS-Empfänger theoretisch auf einer unbekannten Position auf der Schnittlinie der beiden Kugeln befinden. Ein dritter Satellit bildet eine weitere „Signal-Kugel“ und ermöglicht somit das genaue Bestimmen der Position, indem er zwei mögliche Schnittpunkte auf der Schnittlinie der ersten zwei Kugeln markiert. Dabei befindet sich einer der beiden Schnittpunkt außerhalb der Atmosphäre und ist daher nicht plausibel. Durch Anwendung der Ausschlussmethode wird dieser Schnittpunkt annulliert - infolgedessen wird der verbleibende Schnittpunkt auf der Erdoberfläche als die exakte Position des GPS-Empfängers definiert. Werden mehr als drei Satelliten eingesetzt, ermöglicht dies eine größere Datengrundlage um Fehlberechnungen durch z.B atmosphärische Einwirkungen zu korrigieren und eine noch präzisere sowie stabilere Positionsbestimmung zu garantieren.

Kurzgefasst: Beim Schnitt von zwei Kugeln wird eine Linie erzeugt, auf der sich irgendwo der Empfänger befindet. Kommt nun eine dritte Kugel hinzu, welche die anderen Kugeln bzw. Schnittlinie der beiden Kugeln schneidet, ergeben sich dadurch zwei mögliche Schnittpunkte / Positionen für den Standort des Empfängers. Jedoch befindet sich davon nur ein Schnittpunkt auf der Erdoberfläche, weshalb der andere Schnittpunkt als plausible Position ausgeschlossen werden kann.

Dieses Verfahren wird Trilateration genannt. Eine gute visuelle Darstellung finden Sie auf der Website des Katharinen-Gymnasium Ingolstadt

Fehlerquellen und Genauigkeit von GPS

Wie hoch die Präzision von GPS-Geräten ist, hängt an vielen verschiedenen Faktoren. Dazu gehört unter anderem die Anzahl der verfügbaren Satelliten oder physische Hindernisse wie massive Berge, Tiefgaragen oder Gebäude. Auch das Wetter kann das Signal beeinflussen. Zum Beispiel Gewitter mit starker Wolkenbildung, Sonnenstürme oder auch ionosphärische Verzögerungen können Messungen verzerren und somit zu Ungenauigkeiten im Ergebnis führen. In seltenen Fällen kann es auch zu Beeinträchtigungen an der Hardware kommen. Außerdem können Störungen durch Manipulation mittels Jammer oder Spoofing herbeigeführt werden. Insgesamt ist jedoch das GPS-System sehr beständig, welches unter Beachtung der genannten Faktoren eine erstaunliche Präzision liefern kann. Unter guten Verbindungsumständen kann sich die Treffsicherheit von GPS-Modulen innerhalb weniger Meter oder sogar im Zentimeterbereich befinden. In Addition wird die Verbesserung der GPS-Technologie stark gefördert und durch Einbettung zusätzlicher Satellitensystemen wie zum Beispiel GLONASS, Galileo und Beidou die Zuverlässigkeit und Präzision weiter gesteigert.

Wofür wird GPS genutzt?

GPS hat ein breites Spektrum an Anwendungsgebieten. Ermöglicht werden präzise Standortbestimmung um zum Beispiel genaue Navigationsanweisungen für Autos, Flugzeuge und Schiffe zu liefern. Besonders der Rettungsdienst, die Feuerwehr und die Polizei profitieren durch die Technologie und retten mehr Leben als je zuvor. Flotten navigieren dank Telematiklösungen zielgerichtet sowie kosteneffizient während Taxis immer den schnellsten Weg zum Ziel finden. Selbst in der Luft werden Flugzeuge stets mit GPS-Daten versorgt, die Aufschluss über Position, Geschwindigkeit, Wetterinformationen und mehr liefern. Kameradrohnen haben oft GPS-Module verbaut, um Positionen zu halten und die Steuerung zu vereinfachen. Echtzeit-Verfolgung von Objekten und Personen ist besonders entscheidend in Bereichen wie Logistik und Sicherheit. Sogar die Kartografie wurde dank der GPS-Technologie grundlegend revolutioniert und hat die Umweltforschung sowie Stadtplanung erheblich verändert. Nicht zuletzt ermöglicht GPS präzise Zeitmessungen, die in verschiedenen Bereichen wie Telekommunikation, wissenschaftlicher Forschung und auch dem Finanzwesen von großer Wichtigkeit sind.

Fazit

Das GPS-System liefert beeindruckende Präzision und Genauigkeit. Positionsbestimmungen sind innerhalb wenigen Sekunden möglich und die Zeiten, in der man seine Routen händisch auf der Karte planen und markieren musste, sind endlich vorbei. Unternehmen profitieren durch die Technologie und auch die globale Weltwirtschaft / Infrastruktur wurde immens beschleunigt. Es bleibt spannend zu beobachten, wie sich GPS in Zukunft weiterentwickeln wird und welche neuen Einsatzmöglichkeiten noch auf uns warten.

FLEETIZE

Im Rahmen dieser Entwicklung hat FLEETIZE mithilfe der GPS-Technologie die Produktivität und Kosteneffizienz zahlreicher Unternehmen im Automobilbereich fundamental gesteigert. Ausgestattet mit einem besonders sensiblen Empfänger, ermöglichen die Tracker von FLEETIZE Unternehmen in Bereichen wie Flottenmanagement, Logistik oder auch im Bau jederzeit die volle Kontrolle über Einsatz, Planung und Kosten der Fahrten zu bewahren. Informationen wie Echtzeit-Standort, gefahrene Routen, Parkzeiten und eine breite Palette an Funktionen zur Optimierung des Flottenmanagements ergänzen die Funktionalität. Selbst das Führen eines Fahrtenbuches ist durch Automatisierung anhand des elektronischen Fahrtenbuches von FLEETIZE so schnell geschehen wie noch nie zuvor.

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