Wie funktioniert GPS? Alles Wissenswerte zum Ortungssystem

Wie funktioniert GPS?

Wie der Name schon verrät, nutzt das Ortungssystem Signale von GPS-Satelliten, die in der Erdumlaufbahn kreisen. Insgesamt stellt das System ein Zusammenspiel von den Satelliten im Weltraum, dem GPS-fähigen Gerät des Nutzers sowie Empfangsantennen auf der Erde dar. Die daraus entstehende Positionsbestimmung ist simpel: Die Satelliten, die um die Erde kreisen, strahlen beständig ihre aktuelle Position mithilfe von Radiosignalen aus. Diese Signale treffen auf einen Empfänger auf der Erde, der sich beispielsweise in einem Smartphone befindet.

Der Empfänger benötigt mindestens die Signale von drei Satelliten, um den aktuellen Standort auf der Erde ermitteln zu können. Die Ortung ergibt sich dann aus der Berechnung der Position des Satelliten sowie die Zeit, die die Signale beziehungsweise Radiowellen vom Satelliten bis zum Empfänger benötigen. Ein vierter Satellit erlaubt es, die eigene Position des Empfängers zu verifizieren und eindeutig zu bestimmen.

Wie genau ist GPS?

Pauschal lässt sich sagen: Je mehr GPS-Signale ein fähiges Gerät empfängt, desto genauer lässt sich der Standort bestimmen. Der Empfänger benötigt generell eine Antenne, eine Quarzuhr sowie einen Speicher und einen Prozessor, um die GPS-Signale verarbeiten zu können. Wie bereits erwähnt, sind mindestens die Signale von drei Satelliten notwendig, um eine Ortung durchzuführen. Ein viertes Signal präzisiert den Standort anhand der Zeitbestimmung.  In der zivilen Nutzung bei Smartphones und Co. arbeiten GPS-Empfänger mittlerweile mit bis zu zwölf Satellitensignalen. Je nachdem, ob das Gerät auch über GLONASS, Galileo oder Beidou verfügt, erweitert sich die theoretische Sichtbarkeit und noch mehr Radiowellen können empfangen werden.

Unter freiem Himmel ist der Sichtkontakt zwischen Satellit und Empfänger meist kein Problem, sofern keine Schlechtwetterfront aufzieht. Die GPS-Genauigkeit kann jedoch durch äußere Umstände gestört werden. Beeinträchtigt wird die Ausstrahlung der Radiowellen beziehungsweise der Empfang durch vielerlei Faktoren, unter anderem durch Satelliten- und Uhrenfehler. Die Folge: Teils starke Abweichungen vom genauen Standort.

Auch Beton oder Steinwände lassen das Signal nur noch schwach durch, sodass unter anderem in Tunneln GPS-Empfänger die Verbindung zum Satelliten nicht halten können. Um die Fehler ausgleichen zu können, gibt es Korrekturdienste wie die europäische EGNOS. Dabei handelt es sich um Satelliten, die ihre Position zur Erde nicht ändern und ständig Korrektursignale an die Erde senden. Jeder GPS-Chip empfängt diese Daten standardmäßig.

Je nach Anwendungsgebiet und Gerät unterscheidet sich die Standortgenauigkeit bei weitem. GPS-Empfänger in Smartphones beispielsweise weisen eine Genauigkeit von etwa fünf bis fünfzehn Metern aus, was für eine herkömmliche Navigation ausreicht. In vielen Berufen ist die exakte Bestimmung einer Position allerdings grundlegend, sodass sich die Genauigkeit hier gar auf Zentimeter beläuft.

GPS: Die Entstehungsgeschichte

GPS – kurz für Global Positioning System oder deutsch: Globales Positionsbestimmungssystem – ist ein Dienst, der nicht allgemein zur Navigation dient, sondern konkret zur Bestimmung von Positionen. Dies geschieht mithilfe von Satelliten, die hoch über der Erde kreisen. GPS wird zumeist synonymisch als Begriff für eine Standortbestimmung genutzt. Tatsächlich handelt es sich dabei allerdings um das seit den 1970er Jahren vom US-Militär entwickelte System NAVSTAR GPS. In den folgenden Jahren wurde es immer bedeutender, wird seit Mitte der 1990er als voll funktionsfähig erachtet und wurde folglich für die zivile Nutzung geöffnet. Somit ist es heutzutage nicht mehr nur im Militär einsetzbar, sondern auf vielen alltäglichen Geräten zu finden.

Neben dem gängigen GPS gibt es auch Alternativen aus anderen Ländern. Russland öffnete 2012 den Zugang zum eigenen System GLONASS. Von europäischer Seite stammt Galileo, während es in China das Satellitensystem Beidou gibt. Je nach verbautem Empfänger können Geräte neben GPS parallel auch die Signale der genannten anderen Satellitensysteme empfangen.

Einsatzgebiete von GPS

Da GPS seit etwa 1995 öffentlich zugänglich gemacht wurde, findet das satellitenbasierte System mittlerweile viele Anwendungsbereiche fernab des militärischen Gebiets. Viele Alltagsgeräte wie Smartphones, Fitness-Tracker oder Autos sind mit GPS-fähigen Empfängern ausgestattet. Auch in der Fotografie, im Sport oder der Seefahrt findet GPS ein teils unverzichtbares Einsatzgebiet. Das Ortungssystem macht die früher noch weit verbreiteten Stadt- und Landkarten weitestgehend überflüssig, zumal immer mehr virtuelle Kartendienste wie Google Maps oder Here ihre Karten auch offline anbieten und mobiles Internet nicht mehr zwingend für die Nutzung nötig ist – zumindest im Smartphone-Bereich.

Im Vergleich zu Landkarten bieten GPS-Systeme den Mehrwert, dass sie zusätzliche Informationen liefern als nur die Route zum Zielort. Auf Wunsch lassen sich auch in der Nähe gelegene Hotels, Restaurants oder Bushaltestellen anzeigen.

GPS auf dem Handy

Auf dem Handy wird GPS von vielen Apps verlangt. Einerseits lässt sich dadurch beispielsweise eine Handy-Ortung durchführen, wenn beispielsweise das Handy oder gar eine Person verschwunden ist. Auch manches Handy-Spiel profitiert von GPS, zum Beispiel Pokémon Go. Dating-Apps wie Tinder beziehungsweise Date-Vorschläge funktionieren ebenfalls auf Basis GPS-Daten.

Daneben gibt es auch zahlreiche Apps, die eine Standort-Berechtigung verlangen, ohne dass ein ersichtlicher Grund vorliegt. Es schadet deswegen nicht, die Berichtigungen im Auge zu behalten und sie kritisch zu hinterfragen. Für viele Nutzer sind gerade die Standortdaten und das daraus resultierende Bewegungsprofil sensible Daten.

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Wie gibt man GPS-Koordinaten ein?

Jeder Ort auf der Welt ist anhand von exakter Koordinaten zu bestimmen. Sie unterteilen sich in einen Längen- und Breitengrad. Die Angaben können unterschiedlich ausfallen, wie man anhand den Koordinaten des Kölner Doms sehen kann:

• Grad, Minuten und Sekunden (GMS): N 50° 56′ 28.6008 E 6° 57′ 29.8116
• Grad und Dezimalminuten (GMM): N 50° 56.476680 E 6° 57.496860
• Dezimalgrad: (DG): N 50.941278 E 6.958281

Hat man die Koordinaten eines Ortes zur Hand, muss man sowohl unter iOS als auch Android mit einem Kartendienst – als Beispiel dient hier Google Maps – in der Suchleiste eingeben. Möchte man die Position erst noch bestimmen, muss man den Ort in der App solange gedrückt halten, bis ein rotes Label erscheint, das den Ort markiert. Daraufhin werden die Koordinaten in der Suchleiste angezeigt. Hilfreiche Informationen, wie man GPS-Koordinaten ermittelt und wie man sie zielführend eingibt, stellt Google Maps bereit.

GPS-Standort fälschen

Im Zusammenhang mit GPS und der Standortbestimmung stolpert man auch immer wieder über die Frage, ob man GPS-Daten fälschen könnte. Das läuft oftmals unter dem Schlagwort „fake GPS“. Aus welchen Gründen man diesen Schritt auch immer gehen möchte: Es ist stets eine App nötig, um das GPS-Signal zu verwirren und einen anderen Standort zu erzeugen. Fake-GPS-Apps mit einschlägigen Namen finden sich sowohl im Google Play Store als auch Apples App Store.