Navigation – Wo bin ich hier eigentlich?

Smartphone Apps von Google Earth bis Pokemon Go oder das simple Navi-Gerät im Auto – GPS ist aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Was verbirgt sich dahinter?

Galileo-Satellit

Galileo ist das europäische Satellitennavigationssystem. Im Bild ein Galileo-Satellit. Bild: ESA-P. Carril

Der Name sagt eigentlich schon alles: GPS bedeutet "Global Positioning System" und genau das tut das System. Mit ihm können wir die eigene Position überall – auch in den Bergen, in der Wüste oder auf dem Meer – präzis bestimmen. Dank GPS-Ortung bleiben Schiffe und Flugzeuge auf Kurs, lassen sich gestohlene Fahrzeuge wiederfinden und Lastwagenflotten managen.

Genauigkeit von 10 Metern

GPS wurde in den 1970er-Jahren für das US-Militär entwickelt, später aber auch der Zivilbevölkerung kostenlos zugänglich gemacht – nach wie vor vermindert das amerikanische Verteidigungsministerium aber absichtlich die Genauigkeit der Positionsbestimmung mithilfe von Störsignalen. Immerhin bietet GPS seit Mai 2000 auch im zivilen Bereich eine Genauigkeit von etwa 10 Metern.

GPS gilt als Standard, ist aber nicht das einzige globale Navigationssatellitensystem. Russland betreibt mit Glonass bereits ein operatives System, China mit Beidou und Europa mit Galileo bauen ihre eigenen GPS-Konkurrenten auf, Indien und Japan tüfteln an regionalen Systemen.

24 Satelliten

Wer seine Position messen will, braucht Referenzpunkte. Beim GPS sind dies 24 Satelliten. Diese umkreisen die Erde in einer Höhe von 20'200 Kilometern auf insgesamt sechs unterschiedlichen Orbits. Dank einer Geschwindigkeit von 3,9 km pro Sekunde schaffen sie es innerhalb von 12 Stunden einmal rundherum. Permanent übermitteln sie ihre genaue Uhrzeit. Dazu kommen Kontrollstationen auf der Erde, welche die Satellitenbahnen und die Borduhren überwachen und bei Bedarf korrigieren. Die genaue Position eines GPS-Empfängers, also beispielsweise deines Smartphones, lässt sich dadurch bestimmen, dass seine Entfernung zu mehreren dieser Satelliten ermittelt wird. Dafür wird die exakte Zeitspanne gemessen, die Signale von verschiedenen Satelliten zu deinem GPS-Empfänger brauchen (Entfernung = Geschwindigkeit x Zeit). Ist die Entfernung zu drei Satelliten bekannt, lassen sich durch Triangulation die Positionskoordinaten ausrechnen. Mit den Signalen von vier oder mehr Satelliten kann auch die Höhe über Meer bestimmt werden.

Kleiner Exkurs in die Relativitätstheorien

Ohne Einstein und seine Relativitätstheorien würde uns das GPS in die Irre führen. Gemäss der speziellen Relativitätstheorie wissen wir, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig vom Beobachter in allen Bezugssystemen konstant ist. Nichts ist schneller als das Licht. Daraus folgt die so genannte relativistische Zeitdilatation, die besagt, dass eine ruhende Uhr schneller geht als eine bewegte Uhr. Die Satellitenuhr tickt also langsamer als die des GPS-Empfängers. Dazu kommt aber, dass gemäss Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie die Zeit desto langsamer vergeht, je grösser die Schwerkraft ist. Die Uhr im Satelliten, der weiter vom Gravitationsfeld der Erde entfernt ist, geht deshalb schneller als die Uhr auf der Erde. Die beiden relativistischen Abweichungen kompensieren sich also, aber nicht ganz: Zusammengenommen ergibt sich immer noch ein Fehler, der in der Berechnung der tatsächlichen Position berücksichtigt werden muss.
Alles unklar? Dann lass dir doch die Relativitätstheorien von deinem Physiklehrer oder deiner Physiklehrerin erklären. :-)

Schweizer Minisatellit

Er ist würfelförmig, wiegt nur 1 Kilogramm und weist eine Kantenlänge von gerade mal 10 Zentimetern auf – der komplett in der Schweiz gebaute Minisatellit CubETH wird auf einer Umlaufbahn von nur 400 Kilometern Höhe um die Erde fliegen und dabei fortwährend seine genaue Laufbahn, Position und Ausrichtung im Raum mit Metergenauigkeit bestimmen und zur Erde zurückmelden. Und weil er das mit Elektronikbauteilen ab der Stange tun wird, kostet seine Herstellung auch nicht alle Welt.

Text: SATW / Christine D’Anna-Huber
Quelle: Technoscope 2/17: Satelliten – Navigation, Vermessung, Beobachtung. Technoscope ist das Technikmagazin der SATW für Jugendliche

Durchschnittliche Bewertung:
  •  
(0 Bewertungen)

Was sagst Du dazu?

Dieser Artikel hat noch keine Kommentare erhalten.