Wie funktioniert ein Peilsender? 19.12.2016 16:53

GPS einfach erklärt

Technik, die man sonst eher aus dem Fernsehen kannte, erreicht zunehmend den zivilen Markt. Kaum ein Krimi kam in der Vergangenheit ohne den obligatorischen Einsatz eines Peilsenders aus – und allzu weit waren diese Szenen nicht einmal von der Realität entfernt. Auch wenn derlei Technik früher hauptsächlich staatlichen Ermittlungsorganen vorbehalten war.

Lässt man die Geschichte von Gegenständen Revue passieren, die wir mittlerweile ganz alltäglich verwenden, wird deutlich, dass oft staatliche Einrichtungen oder gar das Militär Vorreiter waren. So haben wir das Internet beispielsweise einem Kommunikationssystem zu verdanken, mit dem einst einzelne Militärstützpunkte vernetzt worden waren. Unsere Navigationssysteme – heutzutage in fast jedem Auto verbaut – gehen ebenfalls auf einen ursprünglich militärischen Verwendungszweck zurück. Allerdings arbeitet das Militär mit weit genaueren Daten als unsere Navis im Fahrzeug, was bis vor einigen Jahren künstlicher und vom Militär gewollter „Verschlechterung“ für zivile Zwecke zu verdanken war.

Wie auch die Navigationsgeräte im Fahrzeug nutzen Peilsender in der Regel GPS als Orientierungssystem. Dieser Beitrag möchte die zu Grunde liegende Technik leicht verständlich erklären.

Das Militär lässt grüßen

Die Bezeichnung „GPS“ steht für „Global Positioning System“, also Globales Positionsbestimmungssystem und hat dich derart eingebürgert, dass es mittlerweile stellvertretend für alle Arten von Navigationssystemen verwendet wird – auch wenn durchaus verschiedene Systeme zu diesem Zweck herangezogen werden. Wie oben erwähnt, dienten die ersten Systeme militärischen Zwecken, um beispielsweise die Position von Kriegsschiffen oder Kampfflugzeugen zu bestimmten.

Auch wenn diese Technik sehr modern anmutet, so war und ist sie doch bereits seit den 1970er Jahren auf diesem Gebiet im Einsatz. Ursprünglich unter der vollständigen Bezeichnung „NAVSTAR GPS“, was wiederum eine Abkürzung für „Navigational Satellite Timing and Ranging – Global Positioning System“ ist. Der besondere Reiz für die Streitkräfte: Normale GPS-Systeme empfangen nur Daten und verarbeiten sie direkt an Ort und Stelle, es ist kein Senden von Daten und damit kein Abfangen von Informationen für feindliche Kräfte möglich. Ein Kriegsschiff z. B. konnte die eigene Position so recht genau bestimmen, ohne dass dies der Gegenseite möglich war.

Übergang in den zivilen Bereich

Es liegt auf der Hand, dass es nicht nur für militärische Einheiten wichtig und komfortabel ist, die eigene Position zu kennen. Es war deshalb nur eine Frage der Zeit, bis die Technik der GPS-Navigation auch Einzug in den zivilen Markt hielt. So ganz schien das amerikanische Militär – bis dahin Vorreiter und Förderer des GPS-Systems – der zivilen Anwendung jedoch nicht zu trauen, weshalb immerhin bis ins Jahr 2000 eine künstliche Ungenauigkeit „eingebaut“ wurde. Sollten feindliche Truppen GPS zu ungewünschten Zwecken verwenden, so sollte das Signal zumindest nicht ganz so akkurat ausfallen, wie die eigenen Daten. Im Schnitt war deshalb eine Genauigkeit von rund 100 Metern für zivile Zwecke möglich. Wenig relevant ist diese Ungenauigkeit vielleicht in der Seefahrt – in vielen anderen Bereichen, insbesondere bei Vermessungen oder bei der Navigation in der Innenstadt, jedoch Welten.

So entschied man schließlich im Jahr 2000 die bis dahin eingesetzte künstliche Ungenauigkeit zu deaktivieren, was einen erheblichen Sprung in der Genauigkeit von GPS- Geräten bedeutete. Bei guten Rahmenbedingungen sind Genauigkeiten von bis zu 10 Metern zu erreichen, bei hochwertigen Geräten sogar darunter. Das erklärt auch, warum mittlerweile sogar in Mobiltelefonen eingebaute Navigationssysteme so genau arbeiten, dass eine Navigation nicht nur auf Hauptstraßen mit dem Auto möglich ist, sondern sogar für Fußgänger, die sich in Nebenstraßen zurecht finden müssen. Allerdings basieren diese Navigationsdaten immer häufiger nicht mehr nur alleine auf GPS, sondern nutzen auch andere Angaben. Doch dazu in einem weiteren Blog mehr.

Der Rechenweg

Das Prinzip von GPS dürfte jedem klar sein: Durch die Nutzung von Satelliten, die sich in der Erdumlaufbahn befinden, gelingt den Geräten eine Bestimmung des Standorts. Doch was geht da genau vor sich? Welche Daten werden wie genutzt, damit GPS-Systeme mittlerweile auf ein paar Metern genau wissen, wo man sich befindet?

Alles beginnt damit, dass jeder einzelnen Satellit, der zu GPS-Zwecken in der Umlaufbahn ist, seine eigene Position kennt. Dies ist ihm durch die bestimmung sogenannter Bahndaten möglich. Da auch eine Uhr mit an Bord ist, kennt er auch den Zeitpunkt seiner jeweiligen Position. Diese beiden Angaben sendet der Satellit nun einmal in jeder Millisekunde an die Erde, von wo aus der Empfänger (z. B. ein Navigationssystem) die gleichen Daten sendet. Durch die Differenz zwischen diesen beiden Signalen lässt sich eine Signallaufzeit bestimmen, die wiederum mit der Signalgeschwindigkeit multipliziert wird. Das Ergebnis ist die Strecke vom Satelliten zum Empfänger. Hat man diese Information nun von mindestens drei Satelliten, lässt sich die Position des Empfängers als Schnittmenge zwischen diesen drei Signalen bestimmen.

Liegen erst einmal die Raumkoordinaten vor, erfolgt die Bestimmung der Position aufgrund von Breiten- und Längengraden, wobei auch die geografische Höhe recht genau bestimmt werden kann. Da die zu Grunde liegenden Rahmenbedingungen jedoch niemals unveränderlich sind (z. B. Erdmagnetfeld), kann es insbesondere im Vergleich zu historischen Karten durchaus zu erheblichen Abweichungen kommen.

Ein Segen für die Menschheit

Moderne GPS-Systeme sind ein Beispiel dafür, wie einst militärische Werkzeuge zum Nutzen für die Allgemeinheit „umfunktioniert“ wurden. GPS unterstützt täglich nicht nur etliche Autofahrer sondern hilft auch Staus zu vermeiden und zielgerichteter anzukommen. Es unterstützt beim Auffinden Schiffbrüchiger ebenso wie in anderen Not- und Krisenfällen (z. B. Verschüttete bei Erdbeben oder Lavinen). Der einzige Nachteil dürfte sein, dass sich der Nutzer solcher Systeme derart darauf verlässt, dass uns im Laufe der Zeit durchaus der eigene Orientierungssinn abhanden kommen könnte.

Soviel zu der grundsätzlichen Arbeitsweise von GPS-Systemen. Lesen Sie in unserem nächsten Beitrag, wie Peilsender funktionieren.


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