Wie funktioniert das GPS-System?

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Das vom amerikanischen Verteidigungsministerium entwickelte Global Positioning System, kurz GPS, dient seit mehr als zehn Jahren auch im nichtmilitärischen Umfeld zur genauen Bestimmung von Zeit und Position. Basierend auf Radiosignalen, die von mehreren Satelliten gesendet werden, kann mittels eines GPS-Empfängers die genaue Position und Zeit berechnet werden.

Satellitensignale im zivilen und militärischen Einsatz

Ursprünglich wurde das GPS für militärische Zwecke entwickelt. Ein großer Vorteil hierbei war, dass das GPS Satellitendaten zur genauen Positionsbestimmung lediglich empfängt, nicht aber sendet und somit für den Feind verborgen blieb. Seit vielen Jahren wird es auch in zivilen Bereichen eingesetzt, so beispielsweise in Autonavigationssystemen, in der Luft- und Seefahrt sowie im Vermessungswesen. Von Satelliten ausgestrahlte Radiosignale bilden dabei die Voraussetzung für die genaue Bestimmung der Position. Diese Sender haben eine ungefähre Lebensdauer von 8 Jahren. Daher müssen immer wieder neue Satelliten in den Orbit entsendet werden. Da das GPS in den verschiedensten Bereichen von enormer Wichtigkeit ist, muss ein Ausfall unbedingt verhindert werden. Deswegen verbleiben immer mindestens 24 funktionsfähige Satelliten im Weltraum. Seit der Stationierung des ersten Satelliten im Jahre 1978 wurden diese stetig weiterentwickelt. Die vollständige Kontrolle des GPS unterliegt auch heute noch dem US-Militär. Fünf Bodenstationen überwachen die Satelliten und deren ordnungsgemäße Funktion.

Berechnung der Position aus Satellitendaten

Die vom Satelliten auf zwei unterschiedlichen Frequenzen gesendeten Signale können von einem mobilen Empfangsgerät verarbeitet werden. Basierend auf den Laufzeiten der Signale können damit die genaue Position, die Zeit und die Geschwindigkeit des Empfängers berechnet werden. Theoretisch benötigt man dazu die Radiosignale von drei Satelliten. Aufgrund unvermeidlicher Ungenauigkeiten der Empfängergeräte sind in der Praxis jedoch vier Satelliten zur genauen Berechnung der Position notwendig. Die auf der sogenannten L1-Frequenz gesendeten Daten beinhalten alle grundlegenden Funktionen zur genauen Bestimmung der Position und alle wichtigen Informationen zum Satelliten. Die in zwei unabhängigen Codes gesendeten Daten dienen zivilen Zwecken auf der einen und militärischen Zwecken auf der anderen Seite. Anhand der Informationen, die auf der L2-Frequenz gesendet werden, können Störungen minimiert und die Genauigkeit der Messung erhöht werden. An der Etablierung einer dritten Frequenz, die Daten zur Verminderung der Störungsanfälligkeit von Empfängern übertragen soll, wird schon seit mehreren Jahren gearbeitet.

GPS wird vielfältig eingesetzt

Das global in den unterschiedlichen zivilen und militärischen Bereichen genutzte GPS basiert auf der Verarbeitung von Radiosignalen, die von mehreren im Weltraum befindlichen Satelliten gesendet werden. Diese Signale werden auf unterschiedlichen Frequenzen übertragen und dienen der Bestimmung der Position, nicht aber der Ortung von Empfängern. Der Standpunkt des Empfängers kann aber aus den von vier verschiedenen Satelliten gesendeten Informationen sehr genau berechnet werden. Oft wird im zivilen Bereich ein bis auf 10 Meter genaues Ergebnis erreicht. Das Global Positioning System wurde ursprünglich für militärische Zwecke entwickelt, gewinnt aber im privaten Bereich immer mehr an Bedeutung.

Vorstellung: das europäische Navigationssystem Galileo

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Vom europäischen System für Satellitennavigation “Galileo”, dürfen Sie spürbare Verbesserungen beim Navigieren erwarten. Ende 2013 soll es betriebsbereit sein. 30 Satelliten in 23.222 Kilometern Höhe lassen durch ihre Signale den eigenen Standort auf wenige Meter genau erkennen. Weil vier Satelliten jeden Punkt der Erde erfassen und man auf neueste Technologie setzt, verspricht Galileo höhere Exaktheit als GPS.

Eine Revolution der Präzision

Mit dem öffentlichen Angebot des Galileo-Systems, auf das auch Sie Zugriff haben werden, können Sie mit Hilfe der Satelliten und eines Empfängers im Auto oder Handy Ihre eigene Position mit nur vier Metern Abweichung in der Fläche und acht Metern in der Höhe bestimmen. Das ist ein erheblicher Fortschritt gegenüber GPS, dessen Technologie eine Positionierung nur mit einer Abweichung von zehn Metern und von 35 Metern in der Höhe erlaubt. Auch in der Qualität des Empfangs wird Galileo, wenn es in Betrieb geht, GPS deutlich überlegen sein. So wird die Empfangssicherheit in den Straßenschluchten großer Städte erheblich verbessert sein. Zudem werden regionale Netzschwächen, die sich bei GPS zeigen, überwunden sein. Dadurch dürfen Sie eine größere Sicherheit beim Navigieren erwarten. Noch erheblich präziser werden nichtöffentliche Leistungen der 30 Galileo-Satelliten arbeiten. So sollen die Satelliten für den Such- und Rettungsdienst aus dem All Positionsbestimmungen vornehmen, die bis auf wenige Zentimeter genau sein werden.

Höhere Sicherheit und Leistung

Die Systeme Galileo und GPS werden kompatibel sein, was Ihnen deutliche Vorteile bringt, wenn Sie im Auto mit dem Navigationsgerät unterwegs sind oder entsprechende Ortungsfunktionen Ihres Handys oder Laptops verwenden. Jedes navigationstaugliche Gerät kann nun zugleich Daten der GPS- und der Galileo-Satelliten empfangen und auswerten. Durch die damit erheblich größere Datenmenge aus beiden Satelliten-Systemen erhöht sich die Genauigkeit einer Standortbestimmung erheblich. Nicht nur das Navigieren gelingt dadurch zuverlässiger, Sie können auch sicher sein, dass Sie weniger unter Störungen zu leiden haben, weil temporäre Ausfälle des einen Systems vom anderen ausgeglichen werden. Die hier bestehenden Möglichkeiten erhöhen sich in Zukunft noch gewaltig, weil auch das russische Navigationssystem GLONASS mit Galileo kompatibel sein soll und entsprechende Anbindungen der chinesischen Satelliten zur Navigation vorbereitet werden. Gegenüber dem ursprünglich zur militärischen Nutzung konzipierten GPS-System hat Galileo den Vorteil, ein ziviles System zu sein. Einen Vorbehalt der europäischen Betreiberbehörde, die Leistungen aus militärischen Gründen einzustellen, wie er bei GPS besteht, gibt es nicht. Dies bedeutet eine höhere Funktionssicherheit für den Benutzer.

Wachsende Möglichkeiten

Das europäische Satelliten-Navigationssystem Galileo verspricht also nicht nur präziseres Navigieren durch eine erhebliche Verbesserung der Messdaten und eine erhöhte Empfangs- und Sendequalität, sondern eine zunehmende Sicherheit durch internationale Kooperationen und Kompatibilität. Für Sie als Benutzer hat dies vielfältige Vorteile, wenn Sie mit dem Auto unterwegs sind oder sich mit dem Handy über die Möglichkeiten in Ihrer unmittelbaren Umgebung orientieren wollen. Darüber hinaus sind die Systeme zur Navigation und die entsprechenden Empfangsgeräte mittlerweile ein bedeutender Wirtschaftsfaktor in Europa und der ganzen Welt. Experten gehen davon aus, dass bis zum Jahr 2020 weltweit mehr als drei Milliarden Geräte für den Empfang der Daten von Satelliten in Betrieb sein werden.

Richtiges Navigieren mit Kompass und Karte

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Man könnte meinen, dass die Navigation mit Kompass und Karte verdrängt wird, da immer neue technische Hilfsmittel und GPS-Navigationssysteme die Orientierung vereinfachen. Wenn aber die Batterien ausfallen, man sich kein GPS-Gerät leisten möchte oder die Umgebung auf traditionelle Weise erkundet und durchquert werden soll, erfährt man hier die nötigen Grundlagen.

Die beiden Navigationswerkzeuge im Detail

Um den Kompass und die Karte richtig nutzen zu können, muss man deren Funktionen und Formen kennen. Ein Kompass besteht meistens aus einer Scheibe, einer Nadel, einem drehbaren Gehäuse und dem Laufrichtungspfeil. Eine magnetische Kompassnadel, welche sich am Magnetfeld der Erde ausrichtet, zeigt mit ihrer roten Spitze auf den magnetischen Nordpol und die Rückseite der Nadel zeigt auf den magnetischen Südpol der Erde. Das drehbare Gehäuse ist mit den Buchstaben der Himmelsrichtungen beschriftet: N (Nord), E (East = engl. Ost), S (Süd) und W (West). Bei Karten ist darauf zu achten, dass man sie im richtigen Maßstab zwischen 1:25.000 und 1:100.000 wählt. Außerdem sollten sie die Topografie des Geländes berücksichtigen, also auch Höhenunterschiede, Gebäude, Straßen, Gewässer und Nutzungsarten von Flächen abbilden. Der Maßstab gibt hierbei an, um welchen Faktor die Objekte auf der Karte verkleinert wurden. Ein Zentimeter auf einer Karte mit einem Maßstab von 1:25.000 entspräche in der Realität 250 Metern.

Karte und Kompass im Zusammenspiel

Nachdem nun die grundlegenden Eigenschaften der beiden Hilfsmittel bekannt sind, wird deren Einsatz erklärt. Um richtig navigieren zu können, muss man seine derzeitige Position bestimmen und einen Zielpunkt auswählen. Seinen Standort ermittelt man sehr genau, indem man die Karte zuerst einnordet, das heißt, dass man den Orientierungspfeil des Kompasses so anlegt, dass dieser auf dem Kartengitternetz nach Norden zeigt. Anschließend dreht man die Karte so lange, bis die rote Spitze der Nadel auf die Spitze des Orientierungspfeils zeigt. Nun
sucht man sich zwei bis drei markante Punkte auf der Karte, das sind beispielsweise Höhenpunkte, Gebäude, Straßen oder Flüsse, zu denen man Sichtkontakt hat. Der Schnittpunkt dieser Sichtlinien ist dann die derzeitige Position, welche wir Punkt A nennen. Damit wir nun den Zielpunkt Z erreichen können, richtet man den Laufrichtungspfeil an der Strecke AZ aus und kann sich in dessen Richtung auf den Weg machen.

Den Überblick behalten

Das Gehäuse darf nun nicht mehr gedreht werden und es ist nur noch darauf zu achten, dass die Kompassnadel und der Orientierungspfeil übereinstimmen, damit der Laufrichtungspfeil den Zielpunkt anpeilt. Um nicht andauernd auf den Kompass schauen zu müssen und trotzdem den Überblick zu behalten, können auch Zwischenziele in Laufrichtung angepeilt werden. Es ist also nicht schwierig, ausschließlich mit Kompass und Karte zu navigieren. Besonders am Anfang sollte man aber immer darauf achten, dass die Karte beim Einnorden auch wirklich richtig herum gehalten wird und sich die rote Spitze der Kompassnadel auf dem Orientierungspfeil in Nordrichtung befindet, damit man nicht in die entgegengesetzte Richtung läuft.

Kaufberatung für Navigationssysteme

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Navigationssysteme sind weit mehr als nur praktische Helfer im Alltag. Sie erleichtern das Auffinden von Orten und helfen somit, Zeit und Geld zu sparen. Wer schnell und ohne Umwege an sein gewünschtes Ziel gelangt, ist flexibel und kann besser planen. Navigationssysteme haben einen enormen Einfluss auf die Mobilität der Menschen und können logistische Prozesse optimieren. Für die Wahl des richtigen Navigationsgerätes müssen Nutzer jedoch wissen, auf welche Kriterien sie achten müssen – schließlich haben hochwertige GPS-Geräte ihren Preis.

Welche Kriterien zeichnen ein hochwertiges Navigationsgerät aus?

Ein wichtiges Kriterium bei der Wahl eines passenden Navigationsgerätes ist die Bildschirmgröße. Diese sollte mindestens 4,3 Zoll betragen. Kleinere Displayformate sind zwar deutlich günstiger, in der Regel aber auch unübersichtlicher. Immer beliebter werden 5-Zoll-Geräte. Diese eignen sich aufgrund ihrer Größe weniger für PKWs, da sie das Sichtfeld deutlich einschränken können, wenn Sie an der Frontscheibe angebracht sind. Nutzer, die Wert auf eine hohe Displayauflösung legen, sollten zu Geräten greifen, die mindestens eine Auflösung von 640 x 320, besser noch von 800 x 480 Pixeln aufweisen. Eine Bedienung per Bildschirmberührung ist bei den meisten GPS-Modellen Standard. Praktisch sind jedoch zusätzliche Sondertasten, mit deren Hilfe sich der nächstgelegene Rastplatz oder eine Tankstelle direkt ansteuern lässt. Zusätzlichen Bedienungskomfort versprechen außerdem ein Drehrädchen zur Regulierung der Lautstärke und eine Sprachsteuerung. Letztere sorgt zudem dafür, dass der Nutzer während der Fahrt nicht durch die manuelle Bedienung des Routenfinders vom Straßenverkehr abgelenkt wird. Neueste Geräte können aktuelle Verkehrsdaten über das Internet abrufen, indem sie an ein Smartphone angeschlossen werden. So erhält der Nutzer detaillierte Informationen über Wetterverhältnisse, Staus oder andere Verkehrshindernisse.

Wichtige Features für Vielfahrer

Verbesserungsbedarf bei Navigationssystemen besteht im Hinblick auf die Aktualität der verwendeten Karten. Die Straßensituation kann sich innerhalb weniger Wochen komplett ändern, beispielsweise aufgrund von Bauarbeiten oder bedingt durch die Jahreszeit. Wer viel mit dem eigenen PKW auf den Straßen unterwegs ist oder aufgrund beruflicher Notwendigkeit häufig unbekannte Strecken fährt, ist auf aktuelles Kartenmaterial angewiesen.
Nutzer sollten daher zu einem GPS-Gerät greifen, welches sich regelmäßig updaten lässt. Dies funktioniert beispielsweise, indem regelmäßig überarbeitete Straßenkarten aus dem Netz heruntergeladen werden können. Dafür muss in der Regel ein Abo abgeschlossen werden, welches im Kaufpreis inbegriffen sein kann oder für eine bestimmte Jahresgebühr zu haben ist. Andere Hersteller setzen hingegen auf die Mithilfe ihrer Kunden. Deren Informationen werden ausgewertet und nach und nach bei der Geräteoptimierung berücksichtigt. Wer viel außerhalb Deutschlands unterwegs ist, sollte in ein Navigationssystem investieren, welches Straßenkarten für ganz Europa unterstützt. Für diese Geräte muss der Nutzer allerdings etwa 100 Euro mehr bezahlen als für solche, die auf Deutschlandkarten beschränkt sind.

Nutzungshäufigkeit und Preis bestimmen Gerätewahl

Generell sind hochwertige Navigationsgeräte vor allem für Nutzer sinnvoll, die häufig mit dem Auto unterwegs sind, unbekannte Strecken befahren oder in der Logistikbranche tätig sind. Wer das Gerät lediglich für unregelmäßige private Fahrten nutzt, kann Abstriche machen und zu günstigeren Modellen greifen, die nicht immer auf dem neuesten Stand sein müssen. Wichtige Kriterien im Hinblick auf die Wahl des passenden Gerätes sind aber eine angemessene Displayauflösung und eine leichte Handhabung.

GPS – eine Erfolgsgeschichte

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Stellen Sie sich vor, Ihr Auto würde gestohlen. Im Internet erfahren Sie unmittelbar, wo es sich befindet. Sie informieren die Polizei genau über Ort und Straße, die dann unverzüglich Ihr Fahrzeug sicherstellt. Möglich ist das heute durch GPS-Technik, die exakte Koordinaten ermittelt. Die Technik, die heutzutage unter anderem in Navigationssystem Anwendung findet, ist das Ergebnis einer Erfolgsgeschichte.

GPS – ein System militärischen Ursprungs

Schon in den Dreißiger Jahren experimentierte man mit Standortanzeigern auf Basis elektromagnetischer Signale. In den fünfziger Jahren nahm dann die amerikanische Marine ein Satellitennavigationssystem in Betrieb, das U-Booten aus der Tiefe der Meere die Zielführung von Raketen erlaubte. Aber es war noch ein weiter Weg bis zur heutigen Technologie, mit der Sie sicher an das gewünschte Ziel gelangen und sich auf dem Handy über gute Restaurants in der Nähe Ihres Standorts oder die nächstgelegene Apotheke mit Nachtdienst informieren. Der große Durchbruch in diese Richtung kam 1978, als eine Rakete vom Typ Atlas F den ersten Satelliten des Global Positioning Systems ins All brachte, der dann in über zwanzigtausend Kilometern Höhe die Erde umkreiste. In den folgenden Jahrzehnten wurden immer wieder verbesserte GPS-Satelliten ins All geschossen, von denen 2008 bereits 32 aktiv waren. Ab 2014 wird eine vollkommen neue Generation von Satelliten in die Umlaufbahn gebracht. Die Navigation aus dem All wird dadurch weiter verbessert.

GPS erobert unseren Alltag

Ursprünglich war GPS allein für die militärische Nutzung durch die amerikanischen Streitkräfte konzipiert. Doch schon gegen Ende der Neunziger Jahre leistete es auch im Vermessungswesen unschätzbare Dienste. Seither nahm die zivile Nutzung ständig zu. Auch wenn Sie fliegen, profitieren Sie zum Beispiel von GPS. Ein großer Teil der Landungen in der zivilen Luftfahrt wird mittlerweile mithilfe des System abgewickelt. GPS ermöglicht, dass auch bei schlechtem Wetter und stark eingeschränkter Sicht die Flugzeuge sicher und sanft den Boden erreichen. Nicht nur für die Luftfahrt, auch für den Mountainbike-Fahrer gibt es inzwischen GPS-Software, die ihn auf seinem Rad unter Mithilfe der Satelliten durch die Natur führt. Techniker arbeiten bereits an selbstfahrenden Autos, die von GPS-Systemen gelenkt werden. Irgendwann in der Zukunft werden Sie sich bei Autobahnfahrten bequem zurücklehnen können und Ihrem mit dem Satelliten kommunizierenden Autopiloten das Steuern überlassen. Bei Stau kann dieser eine alternative Route wählen.

Vergleichbar mit dem Internet

GPS-Stadtführungen, die Suche von Vermissten bei Katastrophen und Unglücksfällen,  die Steigerung der Flugsicherheit und zukünftig der Autopilot für Kraftfahrzeuge – all das, was durch GPS bereits geschieht und noch geschehen wird, war beim Start des Projekts kaum absehbar. In der Art und Weise, mit der dieses System unser Leben revolutionierte, ist es mit dem Internet vergleichbar. Natürlich ist GPS auch eine wirtschaftliche Erfolgsgeschichte. Der Markt für GPS-basierte Endgeräte wie Handys oder Navis ist kaum mehr zu überblicken. GPS ist damit auch ein wesentlicher Wirtschaftsfaktor, der nicht unerheblich zur Dynamisierung der Wirtschaft beiträgt.