Aktiviere auf deinem Smartphone den Standortmodus „Hohe Genauigkeit“, lade Offline-Karten herunter und halte A-GPS-Daten aktuell (kurz mobiles Internet/WLAN aktivieren), um schnellere und genauere GPS-Fixes zu erhalten.
Kurzantwort
Ein GPS-System bestimmt deine Position, indem dein Empfänger die Laufzeit von Funksignalen mehrerer Satelliten misst. Aus den so berechneten Distanzen wird per Trilateration deine 3D-Position und die genaue Zeit ermittelt; Mehrfrequenz- und Korrekturverfahren erhöhen Geschwindigkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit.
GPS: So funktioniert das globale Positionierungssystem
GPS (Global Positioning System) ist ein satellitenbasiertes Navigationssystem, das weltweit Position, Geschwindigkeit und Zeit (PVT) liefert. Kernprinzip ist die präzise Zeitmessung: Satelliten senden kontinuierlich Signale mit Zeitstempeln, der Empfänger bestimmt daraus Entfernungen und berechnet per Trilateration die eigene Position.
Was ist GPS?
GPS ist Teil der GNSS-Familie (Global Navigation Satellite Systems) und wird durch ein Netzwerk von Satelliten in mittlerer Erdumlaufbahn betrieben. Es liefert in Echtzeit Positionsdaten für Navigation, Vermessung, Flottenmanagement, Notdienste und präzise Zeitverteilung.
Funktionsweise in Kürze
- Satelliten senden präzise Zeitstempel sowie Ephemeriden (Bahn- und Uhrdaten).
- Der Empfänger misst die Laufzeit der Signale und errechnet daraus Pseudodistanzen.
- Mit mindestens vier Satelliten löst er die Unbekannten: x, y, z (Position) und t (Uhrfehler).
- Ergebnis: 3D-Position, Geschwindigkeit (aus Doppler/Mehrfachmessungen) und exakte Zeit.
GPS-Segmente
- Raumsegment: 24+ Satelliten in MEO (~20.200 km), mehrere Bahnebenen für weltweite Abdeckung.
- Kontrollsegment: Bodenstationen überwachen Satelliten, aktualisieren Uhr- und Bahnparameter.
- Nutzsegment: Alle Arten von Empfängern (Smartphones, Fahrzeugnavis, Vermessungsgeräte).
Signale und Frequenzen
- L1 C/A (1575,42 MHz): Ziviles Basissignal; hohe Verfügbarkeit.
- L2C (1227,60 MHz) & L5 (1176,45 MHz): Robuster, präziser; besser gegen Störungen und Ionosphärenfehler.
- Codes & Träger: Messung von Codephase (Meter-Genauigkeit) und Trägerphase (Zentimeter mit RTK).
- Navigationsdaten: Almanach (grobe Bahndaten), Ephemeriden (präzise Bahndaten), Uhrenkorrekturen.
Genauigkeit und Fehlerquellen
- Typisch: 3–10 m (freier Himmel, Single-Frequency, nur GPS).
- 1–3 m mit Dual-Frequency und Multi-GNSS (GPS + Galileo/GLONASS/BeiDou).
- Verbesserungen durch SBAS (z. B. EGNOS, WAAS) und Differentialverfahren.
- Fehlerquellen: Ionosphäre, Troposphäre, Mehrwegeffekte (Reflexionen), Abschattungen (Bäume, Gebäude), Geometrie (DOP/PDOP), Uhren-/Ephemeridenfehler. Relativistische Effekte werden im System kompensiert.
Korrektur- und Verbesserungsverfahren
- SBAS (EGNOS, WAAS, SDCM, GAGAN): Satellitenbasierte Korrekturen, Integritätsinfos; Genauigkeit bis ~1–2 m.
- DGPS/RTK: Bodenstationen liefern Echtzeitkorrekturen; RTK erreicht cm-Genauigkeit (insbesondere mit Trägerphase und Basisnetzen).
- PPP/PPP-RTK: Globale präzise Uhren-/Bahnprodukte für dm–cm ohne nahe Basisstation (Konvergenzzeit erforderlich).
- A-GPS: Mobilfunk/WLAN-Assistenzdaten (Almanach/Ephemeriden) verkürzen TTFF (Time To First Fix).
GPS vs. GNSS
- GPS ist ein System innerhalb von GNSS; weitere Konstellationen: Galileo, GLONASS, BeiDou.
- Multi-GNSS + Dual-Frequency: Schnellere Fixzeiten, bessere Genauigkeit, höhere Verfügbarkeit in Städten („Urban Canyon“).
Anwendungen
- Navigation & Routing (Auto, Fahrrad, Outdoor, Luft-/Seeschifffahrt)
- Flotten- & Asset-Tracking, Telematik, Logistik
- Präzisionslandwirtschaft, Bau, Vermessung, Drohnen (cm-Genauigkeit mit RTK)
- Notruf & Sicherheit (eCall), Geofencing
- Zeit- & Frequenzsynchronisation für Mobilfunk, Energie- und Finanzsektor
Sicherheit und Integrität
- Risiken: Jamming (Störung), Spoofing (Fälschung).
- Gegenmaßnahmen: Signal-Authentifizierung (z. B. Galileos OSNMA), RAIM/ARAIM-Integritätschecks, Sensorfusion (IMU, Barometer), Mehrquellen-PNT (GNSS + terrestrische/Netz-basierte Verfahren).
Best Practices für Nutzer
- Freie Sicht zum Himmel sicherstellen; Abschattungen vermeiden.
- Standortmodus „Hohe Genauigkeit“ aktivieren (GNSS + WLAN/Netz-Ortung).
- Offline-Karten vorab laden; A-GPS-Daten regelmäßig aktualisieren (kurz Internet aktivieren).
- Für Outdoor/City: Dual-Frequency und Multi-GNSS in den Einstellungen nutzen, wenn verfügbar.
- Energie sparen: GNSS nur bei Bedarf aktivieren, Hintergrund-Ortung begrenzen.
Wichtige Begriffe
- TTFF: Zeit bis zum ersten Fix
- DOP/PDOP/HDOP: Geometriequalität der Satelliten
- Pseudodistanz: Distanz inkl. Uhrfehleranteil
- WGS84: Globales Referenzellipsoid/Koordinatensystem
Zukunft
- Breiter L5/E5a-Einsatz in Smartphones und Geräten für robustere, präzisere Ortung.
- PPP-RTK für Zentimeter-Level in der Breite.
- Mehr Signal-Authentifizierung und Sensorfusion (5G/UWB/SLAM) für verlässliche Ortung in Städten und Innenräumen.
Fazit
GPS arbeitet über präzise Zeitmessung von Satellitensignalen und Trilateration. In Kombination mit Mehrfrequenz, Multi-GNSS und Korrekturdiensten ermöglicht es von meter- bis zentimetergenauer Positionierung – zuverlässig, weltweit und in Echtzeit.
