GPS erklärt

Genauigkeit und Fehlerquellen von GPS

Mit dem Global Positioning System (GPS) können Benutzer ihren Standort, die Höhe, in der sie sich befinden, sowie ihre Fortbewegungsgeschwindigkeit sehr exakt bestimmen. Allerdings müssen einige immanente Fehlerquellen des Systems berücksichtigt werden, die auftreten, wenn ein Empfänger das GPS-Signal von der Satellitenkonstellation am Himmel empfängt.

Die Hauptfehlerquelle bei der Nutzung von GPS liegt in einer ungenauen Zeitmessung der Uhr des Empfängers. Der im Empfänger integrierte Computer nutzt Mikrowellensignale, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, von mindestens drei Satelliten, um die eigene Position, Höhe und Geschwindigkeit zu berechnen.

Geringe Abweichungen der im GPS-Empfänger integrierten Uhr von der GPS-Zeit, mit der das gesamte Global Positioning System synchronisiert wird, führen dazu, dass berechnete Entfernungen von den tatsächlichen abweichen können. Für dieses Problem gibt es zwei Lösungen. Die erste bestünde darin, in jedem Empfänger eine Atomuhr im Werte von 100.000 US-Dollar einzusetzen. Bei der zweiten Lösung wird ein cleverer mathematischer Trick angewendet, durch den der Zeitmessungsfehler korrigiert wird. Die Lösung basiert auf der Art und Weise, wie die Signale von drei oder mehr Satelliten vom Empfänger erkannt werden. Dadurch kann der Empfänger seine Uhr sozusagen zurücksetzen. Diese Methode ist die kostengünstigere Lösung und wird auch von Herstellern von Satellitennavigationsgeräten verwendet.

Eine weitere immanente Fehlerquelle ergibt sich aus der Funktionsweise von GPS. GPS-Empfänger analysieren Signale von drei Satelliten des Systems und berechnen, wie lange jedes Signal benötigte, um zum Empfänger zu gelangen. Durch eine Trilaterationsberechnung können sie dann den exakten Standort des Empfängers bestimmen. Die Signale werden von den Satelliten in festgelegten Abständen übertragen.

Leider ist der elektronische Detektor in GPS-Standardgeräten nur bis auf 1 Prozent einer Bit-Zeit genau. Dies entspricht ungefähr einem 10 Milliardstel einer Sekunde (10 Nanosekunden). Die Bewegung der GPS-Mikrowellensignale in Lichtgeschwindigkeit führt zu einem Fehler von ungefähr 3 Metern. Mittels Standard-GPS ist daher eine Bestimmung der Position mit einer Genauigkeit von unter 3 Metern nicht möglich. Komplexere Empfänger, wie sie das Militär verwendet, sind zehnmal genauer (bis zu 300 Millimeter).

Weitere Fehler entstehen durch atmosphärische Turbulenzen, die die Signale verzerren, bevor sie den Empfänger erreichen. Reflektionen von Gebäuden und anderen großen, festen Objekten können ebenfalls zu Genauigkeitsproblemen von GPS führen. Außerdem können Probleme mit der Genauigkeit der Zeiterfassung und den Daten eines bestimmten Satelliten auftreten. Bei GPS-Empfängern, die Signale von mehr als drei Satelliten ablesen, um konsistente Daten zu erhalten, entstehen diese Genauigkeitsprobleme nicht.