Technik einfach erklärt – GPS

Dieser Artikel ist Teil der Serie: Technik einfach erklärt

Es ist keine Neuigkeit mehr, dass andere Saaten und Staatenverbunde, wie China und die EU, drauf und dran sind ein Konkurrenzsystem zum amerikanischen GPS aufzubauen. Das europäische Galileo-Projekt wird dabei noch präziser als das Global Positioning System  sein und mit ihm sogar zusammen arbeiten. Hier wirkt also internationale Kooperation anstatt hartem Wettbewerb, der dazu hätte führen können, dass verschiedene Nutzer dazu gezwungen werden ein bestimmtes System zu verwenden.

Doch wie funktioniert das eigentlich, dass man durch ein paar Satelliten den genauen Standort erfährt?

Das GPS
Zu jeder Zeit befinden sich mindestens 24 Satelliten in Umlaufbahnen um die Erde. Davon kann man von einem beliebigen Punkt auf der Erde (wenn keine Gebäude im Weg stehen) zwischen 6 bis 12 sehen. „Sehen“ meint damit, dass es eine direkte Linie von einem Selbst bis zum Satelliten gibt, ohne dass der Erdball dazwischen liegt. Dies ist wichtig, da es vier Satelliten benötigt für die Positionsbestimmung. Warum sehen wir später.

Die Funktionsweise in zwei Dimensionen

Satellitenortung, schematisch

Satellitenortung, schematisch

In der linken Grafik erkennt man wie die Ortung zu Stande kommt. Alle Satelliten senden konstant ein Signal aus und das Navi weiß nun wie weit es sich von ihnen entfernt befindet. Wie man sieht gibt es nur zwei Punkte auf der Fläche, für die diese bestimmten Daten zutreffen. Der eine Punkt liegt aber weit im Weltraum, weswegen nur ein Punkt auf der Erdoberfläche übrig bleibt.

Die Grafik unten erklärt, wie das Navigationsgerät die Entfernung zu den Satelliten misst. Diese Senden nämlich die ganze Zeit einfach nur die aktuelle Uhrzeit aus. Da das Signal aber eine gewisse Zeit braucht, um vom Satelliten zum Auto auf der Straße zu gelangen, und diese Zeit von der Entfernung abhängt, errechnet das Navi so den Abstand zwischen sich und den Satelliten. In der Skizze wurde angenommen, dass das Signal für einen Meter eine Minute benötigt. Im Moment senden alle Seiten das Signal „13:00″. In der Vergangenheit haben sie natürlich alle die dann aktuelle Zeit gesendet. Da die Signale so lange zu uns (dem roten Kreuz) brauchen, erhalten wir abhängig von der Entfernung ein unterschiedliches Bild von jedem Satelliten. In dem Gitter gibt es aber nur einen Punkt, für den diese Kombination aus empfangenen Uhrzeiten zutrifft. Und Voila: Wir haben unsere Position gefunden.

Abstandsmessung beim GPS

Abstandsmessung beim GPS

Und in echt?
In echt schicken die Satelliten noch ihre Laufbahn-Parameter mit, sodass jedes Navi in Verbindung mit der gesendeten Uhrzeit den Ort der Sender im dreidimensionalen Raum errechnen kann. Aufgrund dieser Dreidimensionalität wird auch noch ein Satellit mehr als im Beispiel oben gebraucht, eben diese vier, die ich am Anfang schon erwähnt habe.

So funktioniert das GPS, das von jedem Flugzeug, Handy, Auto, Trecker und Traktor gebraucht wird.

 

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