Obwohl Geocaching im Jahr 2000 von Technik-Nerds als „Stash Hunting“ erfunden wurde, um die verbesserte Genauigkeit von GPS für ein wenig Freizeitbeschäftigung zu nutzen, dürften sich viele Teilnehmer heute nur der Bedeutung der Abkürzung GPS als „Global Positioning System“ bewusst sein. Irgendwas hat das „mit Satelliten zu tun“ und in Gebäuden „gehts nich“.
Dieser Artikel soll ein wenig die Hintergründe für Interessierte beleuchten, die sich nicht den Wikipedia-Artikel durchlesen wollen, der vor Details nur so strotzt.
Kurz und knackig zur Geschichte von GPS: Wie vieles hat auch das GPS-System eine militärische Herkunft, da möglichst exakte Positionsangaben „im Feld“ und zur Navigation – na sagen wir mal – „hilfreich“ sind. Die Entwicklung begann in den USA Anfang der 1970er Jahre; der erste (experimentelle) Satellit wurde 1978 gestartet. Die Amerikaner wollten damit ihr bisheriges Navigationssystem „Transit“ ablösen (Ja, GPS war NICHT das erste Navigationssystem der Welt.) 1990 wurde GPS zum ersten Mal im Ernstfall benutzt, natürlich um Krieg zu führen. Die weltweite Abdeckung, Verfügbarkeit und die theoretische heutige zivile Genauigkeit wurde 1993 erreicht, theoretisch deshalb, weil durch eine künstliche Verschlechterung („Selective Availability“) des Signals die Genauigkeit für nicht-militärische Empfänger bei etwa 100 Metern lag. Damit war natürlich nicht an so etwas wie Geocaching zu denken, was sich wie oben erwähnt im Jahr 2000 änderte, als eben diese Verschlechterung abgeschaltet wurde, was zu den heute möglichen Genauigkeiten führte.
Und wie funktioniert der Kram nun? Prinzipiell ist es ganz einfach und eigentlich jeder hat schon mal die Entfernung zu einem Gewitter berechnet: Man sieht den Blitz, zählt die Sekunden bis der Donner hörbar ist, multipliziert diese mit der Schallgeschwindigkeit (343m/s) und zack hat man die (ungefähre) Entfernung zum Gewitter.
So einfach funktioniert auch das GPS-System, zumindest wenn man um die Protokolldetails und die teilweise wahnsinnig komplizierte Mathematik einen Bogen macht. Jeder der 21 benötigten, zur Zeit 30(?) Satelliten sendet folgende Informationen aus:
- eine eindeutige Kennung
- seine Position am Himmel
- genauer Zeitpunkt, zu dem die Nachricht verschickt wurde
- die Umlaufbahndaten aller Satelliten
Grundsätzlich erfolgt die Bestimmung des Ortes wie beim „Gewitter“, nur daß man mehrere Gewitter (Satelliten) hat und man genau weiß, WO sich diese Gewitter befinden (Bahndaten). Mit 3 Gewittern, äh Satelliten lässt sich also die genaue Position bestimmen, indem man die Laufzeit der einzelnen Signale berechnet.
GPS Ortung mit 3 Satelliten (Quelle: wikipedia)
Nun ist es aber so, daß wir hier von Laufzeitunterschieden im Nanosekundenbereich (ein Uhrenfehler von 1/1000 sec. sind ca. 300 km Abweichung!) reden, die erfasst werden müssen, was natürlich eine extrem genaue Uhr auch im GPS-Empfänger erfordert – mit irgendwas muss ja der Zeitstempel der Nachricht vom Satelliten verglichen werden. Da es nun aber preislich und technisch nicht so der Brüller ist, in jeden GPS-Empfänger ne brutal genaue Atomuhr (wie in den Satelliten vorhanden) einzubauen, brauchen wir für den Betrieb also noch einen weiteren Satelliten, über dessen Signal dann die lokale Zeit im GPS-Empfänger „getrimmt“ wird. Damit wären wir bei 4 Satelliten, um einen grundlegenden 3D-Fix (mit Höhen-komponente) zu bekommen.
Mit 4 Satelliten ist die Genauigkeit natürlich nicht so toll, aber mit jedem Satelliten, der in die Berechnung mit einbezogen wird, haben wir mehr Korrekturdaten, die dann dafür sorgen, daß wir als Geocacher auf der Suche nach nem Cache nicht bei 20m Abweichung potentiell 1257m² absuchen müssen, sondern vielleicht sogar direkt vor der Box zum Stehen kommen (und sie dann trotzdem nicht gleich sehen ;) )
Ich hoffe, ich habe euch mit meinem Anspruch, einigermaßen technisch korrekt zu bleiben, nicht gelangweilt und freue mich über Feedback, Ergänzungen oder Themenvorschläge. Den eher „visuell orientierten“ Lesern unter euch kann Ranga Yogeshwar bzw. Quarks und Co weiterhelfen; Fragen beantworte ich auch gerne in den Kommentaren.
In einem folgenden Artikel werde ich die Zukunft des GPS Systems sowie „konkurrierende“ Navigationssysteme beleuchten und kurz auf das Thema Genauigkeit und wie man sie verbessern kann eingehen.
