GPS erklärt – Wie funktioniert das Navi? Einfach erklärt

GPS erklärt – geht das?

Ist das nicht Magie, welche in Deiner Navi-App passiert?

Nein. Dieser Artikel gibt Dir eine simple Einführung.

Starten wir!

Was funktioniert GPS?

Das GPS ist die Abkürzung von Global Positioning System (offizell NAVSTAR GPS). Das System hat ursprünglich das amerikanische Verteidigungsministerium entwickelt, damit ein Nutzer seinen Standort mit einem GPS-Empfänger auf der Erde ermitteln kann.

Die Ortung kann bis auf zu 10 Meter genau erfolgen.

Das Satellitensystem „Transit“ ging dem GPS voraus, welches seit 1996 außer Betrieb ist. Die Ortung war „nur“ auf 16 bis 500 Meter genau möglich. Viele wissen nicht, dass GPS weitere Konkurrenten hat:

Ein Empfänger für das europäische Galileo kann bis zu ca. 1 Meter genau (Öffentlicher Service) orten, während das russische GLONASS und chinesische Beidou schlechtere Werte liefern.

Die Amerikaner haben seit den 70ern Jahren Satelliten in den Orbit gesendet, welche diese mit einer oder mehreren sehr genauen Atomuhren ausrüsteten. Die Satelliten nutzen einheitlich die koordinierte Weltzeit (UTC) und senden kontinuierlich Signale auf die Erde.

Wie funktioniert eine Navi-App?

Das Signal beinhaltet den Namen des Satelliten, die Position und die genaue Uhrzeit im Satelliten. Das Signal braucht eine bestimmte Zeit X, um die 300 km Atmosphäre mit Lichtgeschwindigkeit zu durchlaufen.

Das Endgerät berechnet den Standort aus einer Gleichung mit drei Variablen und den 4 Signalen. Das Endgerät braucht keine genaue Uhr. Weil die Satelliten nicht auf einer Bilderbuch-genauen Umlaufbahn fliegen, korrigiert eine Formel die Berechnungen.

Weil bewegte Uhren nach der Relativitätstheorie langsamer laufen, muss die Software diese Ungenauigkeiten herausrechnen. Die Korrekturen scheinen einem Ottonormalverbraucher marginal, aber diese Korrekturen beeinflussen die Genauigkeit signifikant:

Möchtest Du auf 1 Meter genau oder 600 km entfernt auf der Karte im Navi erscheinen?

Mehr dazu unter https://www.weltderphysik.de/gebiet/erde/erde/gps/

Ortungsgenauigkeit – TOP 5 Faktoren

Die Ortung des Endgeräts hängt von verschiedenen Faktoren ab:

Anzahl der Satelliten und -konstellation

Je höher die Anzahl der Satelliten mit Sichtkontakt ist, desto besser funktioniert die Ortung. Mindestens 4 Satelliten sind notwendig, um durch den Schnittpunkt der Kreise Deinen Ort zu bestimmen.

Genauigkeit der Uhren

Die Satelliten nutzen sehr genaue Uhren (Atomuhren). Sind diese aus dem Takt, wirst Du in Deutschland auf Hawaii geortet.

Objekte zwischen Gerät und Satellit

Unterschiedliche Materialien zwischen Satellit und Empfangsgerät dämpfen das Signal unterschiedlich stark. Ist das Signal zu schwach, kann das Gerät die Inhalte nicht mehr decodieren. Die Luft bzw. das All dämpft die Signale am geringsten, während massiver Stahlbeton die Signale abblockt.

Genauigkeit der Kartierung

Wenn die Kartierung Mist ist, dann erstellt Dir das Navi eine Mistroute. Je ungenauer der Hersteller vorher die Straßen und Gebäude verzeichnet hat, desto weniger bringt Dir ein exakter Standort von den Satelliten etwas.

Softwarefehler

Trotz aller Tests und Qualitätsüberprüfungen befinden sich in der Software der Satelliten, der Endgeräte oder Navi-App Programmierfehler. Diese führen zu Falschberechnungen, grafische Glitches oder Aussetzer. Updates sind notwendig.

GPS FAQ

Ist GPS kostenlos?

Ja, GPS ist für die öffentlichen Frequenzen frei verfügbar. Die militärischen Frequenzen im GPS sind der Öffentlichkeit nicht zugänglich. Bei Galileo muss der Verwender für den Hochgenauigkeitsdienst zahlen, während der etwas „ungenauere“ Dienst kostenlos ist.

Wie weit reichen GPS Tracker?

Eine Person, die ein GPS-Tracker verwendet, kannst Du weltweit – auch am Nordpol – orten. Der Tracker muss das GPS-Signal noch empfangen können. Befindet sich der Gegenstand tief unter der Erde oder in einem massiven Gebäude (Stahlbeton), dann hat der GPS-Tracker keine Chance.

Die meisten vergessen aber folgende Rahmenbedingungen, die eine Ortung verhindern:

  • Kein Mobilfunk: Der Tracker kann Dir nur die GPS-Daten übermitteln, wenn das Gerät zusätzlich das Signal eines kompatiblen Mobilfunknetzes erhält. Ein deutsches, altes Mobilfunkmodem versteht das amerikanische Mobilfunknetz nicht.
  • Tracker zerstört: Die Zielperson kann den Tracker wissentlich oder unbewusst zerstört haben. Feuchtigkeit oder mechanischen Druck zerstören jeden Sensor.

Bin ich GPS überwacht?

Ein GPS-Tracker ist ein GPS-Empfangsgerät und kein Sender. Du könntest Deine Umgebung nach Mobilfunkverbindungen und Bluetooth-Verbindungen abscannen, um einem versteckten Tracker auf die Spur zu kommen. Militärische Tracker dürfen andere Frequenzen nutzen.

Zum Guide: Überwachung durchführen und erkennen

Kann ich mich in Gebäuden orten?

Wenn Du direkt an einer Glasscheibe stehst, ist ein GPS-Tracking möglich. Bewegst Du Dich einige Meter in den Raum hinein, bricht das Signal ab, weil die Dämpfung zu groß ist. Befindet sich über Dir ein Glas- oder Kunststofffenster, dann könntest Du ein Signal erhalten.

Kann ich ein ausgeschaltetes Handy orten?

Ja, es ist möglich, ein „ausgeschaltetes“ Handy zu orten. Dazu fährt ein Spezialist das Gerät in einen Wachzustand hoch, lässt den Bildschirm aus, empfängt das GPS Signal und sendet es per Mobilfunk zurück zum Spezialisten.

Wie das geht, habe ich in diesem vollständigen Guide beschrieben. Wenn Du Dein Smartphone „ausschaltest“, ist das Smartphone nicht „aus“, sondern befindet sich in einem „Wartezustand“ mit ausgeschaltetem Display. Die Innereien bleiben aktiv. Da kein Lüfter das Gerät kühlt, scheint das Gerät „aus“ zu sein.

Signal Abbruch – Warum?

Blöde Satellitenkonstellation

Nicht zu jedem Zeitpunkt stehen die Satelliten so, dass Du ein Signal von 4 Satelliten erhältst.

Ein Berg, ein hohes Gebäude oder eine Wand verhindert den Empfang. Fährst Du mit einem Navigationsgerät durch eine Stadt, solltest Du mehrfach Abbrüche bemerken. Das Endgerät gleicht diese Fehler mit dem Beschleunigungssensor und Mobilfunkmasten in der Umgebung aus.

Kaputter Chip

Der Empfängerchip befindet sich im Sterbeprozess oder das Kabel vom Empfängerchip wackelt am Mainboard – Wackelkontakt!

Bugs in der Software

Navigationssoftware ist keine Klacks für einen einzelnen Programmierer. Mehrere hunderte von Programmieren arbeiten zusammen an Deiner Navi-App, um diese funktional zu machen. Die Programmierer können bei der Programmierung Konstellationen und Bedingungen vergessen.

Kurzzeitige Gegenstände zwischen Satellit und Gerät

Ein Flugzeug, ein Pelikan, eine Autobahnbrücke oder der Wolkenkratzer nebenan lässt kein Signal passieren.

Alternativen zu GPS

Das neue Galileo Satellitensystem erhöht die Genauigkeit der Ortung, um ein 10-faches.

Das System ist kompatibel mit dem russischen System, sodass jeder Empfänger mehr Satelliten nutzen kann. Moderne Navigationsgeräte nutzen einen Mix aus verschiedenen Systemen.

Welches System das beste Signal liefert, nutzt das Endgerät und ergänzt diese mit weiteren Daten:

  • Beschleunigungssensor: Wenn ich mit 50 km 5 Sekunden fahre, dann muss sich das Auto an Ort X befinden. Wenn der Sensor nach rechts oder links eine Beschleunigung registriert, dann biegt das Auto ab. Nach 10 Sekunden muss das Auto sich hinter der Kreuzung befinden.
  • Mobilfunk: Ich befinde mich in Mobilfunk-Zelle Z, dann muss ich mich in diesem Bereich befinden.

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