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GPS, Tech

Die exakte Position: Welche Faktoren beeinflussen das GPS-Signal?

by Christian Hansen
10. Mai 2024

In der heutigen vernetzten Welt spielt die GPS-Technologie (Global Positioning System) eine grundlegende Rolle in verschiedenen Aspekten unseres Lebens, von Navigation und Transport bis hin zu Rettungsdiensten und Freizeitaktivitäten im Freien. Jedoch hängen die Zuverlässigkeit und Genauigkeit von GPS-Signalen von einer Vielzahl von Faktoren ab. Oftmals werden diese übersehen, weil sie zu offensichtlich sind und manche Faktoren sind möglicherweise nicht jedem bekannt.

In diesem Artikel befassen wir uns mit einigen Schlüsselfaktoren, welche die Verfügbarkeit und Genauigkeit von GPS-Signalen beeinflussen.
Dadurch wird erneut deutlich, wie komplex diese allgegenwärtige Technologie doch ist, die wir täglich nutzen.

Die Grundlagen des GPS-Signalempfangs

GPS basiert auf einem Netzwerk von Satelliten, die die Erde umkreisen und kontinuierlich Signale aussenden. Diese werden von GPS-Empfängern am Boden empfangen. Um eine genaue Position zu berechnen, benötigt ein GPS-Empfänger Signale von mindestens vier Satelliten. Jeder Satellit sendet Signale mit präzisen Zeitinformationen und seinen eigenen Umlaufparametern.

Eine ausführlichere Beschreibung, wie die GPS-Postion bestimmt wird, erklären wir in unserem Artikel
Die Funktionsweise von GPS: Wie Ihr Gerät weiß, wo Sie sich befinden

Faktoren, die die Verfügbarkeit und Genauigkeit des GPS-Signals beeinflussen

Die empfangene Signalstärke und die benötigte Übertragungszeit zur Signalübermittlung sind wesentliche Parameter, um eine genaue Position zu bestimmen. In der folgenden Liste gehen wir auf zehn Faktoren ein, die Einfluss auf die Qualität der ermittelten GPS-Position haben. Jedoch ist die Liste nicht vollständig und beleuchtet nur einen Teil der Einflussfaktoren.

1.

Anzahl der Satelliten

Je mehr Satelliten ein GPS-Empfänger erkennen kann, desto genauer wird seine Positionsberechnung. Für eine 3D-Positionsbestimmung sind mindestens vier Satelliten erforderlich.

2.

Satelliten­geometrie

Die Anordnung der Satelliten am Himmel beeinflusst die Genauigkeit der GPS-Positionierung. Eine optimale Geometrie mit über den Himmel verteilten Satelliten führt zu genaueren Ergebnissen.

3.

Atmosphärische Bedingungen

Atmosphärische Phänomene wie ionosphärische und troposphärische Effekte können GPS-Signale verzögern und verzerren und so die Genauigkeit beeinträchtigen.

Ionosphären­effekte

Die Ionosphäre ist eine Schicht geladener Teilchen in der oberen Erdatmosphäre. GPS-Signale, die die Ionosphäre passieren, können aufgrund der dort vorhandenen freien Elektronen Verzögerungen erfahren. Diese Verzögerungen variieren je nach Faktoren wie Tageszeit, Jahreszeit und Sonnenaktivität. Ionosphärenverzögerungen können zu Fehlern im GPS-Signal-Timing führen und die Genauigkeit der Positionsberechnungen beeinträchtigen.

Troposphären­effekte

Die Troposphäre ist die unterste Schicht der Erdatmosphäre und erstreckt sich von der Erdoberfläche bis in eine Höhe von etwa 10–15 Kilometern (6–9 Meilen). Troposphäreneffekte auf GPS-Signale umfassen hauptsächlich Signalbrechung und Verzögerungen aufgrund von Temperatur-, Druck- und Feuchtigkeitsschwankungen. Diese Effekte können dazu führen, dass sich GPS-Signale beim Durchgang durch die Atmosphäre verbiegen, was zu Ungenauigkeiten in der Signallaufzeit und in der Folge zu Fehlern bei der Positionsberechnung führt.

4.

Hindernisse

Gebäude, Bäume und Gelände können GPS-Signale behindern oder Signalreflexionen verursachen, was zu Mehrwegefehlern und verringerter Genauigkeit führt.

5.

Städtische Schluchten

In städtischen Umgebungen mit hohen Gebäuden sind Signalreflexionen und Mehrwegefehler stärker ausgeprägt und beeinträchtigen die Genauigkeit der GPS-Positionierung. Bei Signalreflexionen werden die Signale zum Beispiel von den Gebäuden, dem Boden oder anderen Objekten erst reflektiert, bevor sie den GPS-Empfänger erreichen. Dadurch ergibt sich zum einen ein verlängerter Weg des Signals und zum anderen besteht die Möglichkeit, dass das gleiche Signal mehrfach empfangen wird.

6.

Satelliten­sichtbarkeit

Die Sichtbarkeit von Satelliten relativ zum Empfänger beeinflusst die Signalstärke und -qualität. Hindernisse können die Signalstärke verringern und die Genauigkeit beeinträchtigen.

7.

Empfänger­qualität

Die Qualität des GPS-Empfängers beeinflusst seine Fähigkeit, schwache Signale zu verarbeiten und Mehrwegefehler zu reduzieren, und wirkt sich somit auf die Genauigkeit aus.

8.

Signal­störungen

Störungen durch andere elektronische Geräte oder Funksignale können GPS-Signale stören und zu Ungenauigkeiten bei der Positionsberechnung führen.

9.

Satelliten­umlauf­bahnen

Änderungen der Satellitenumlaufbahnen oder Uhrenfehler können zu Fehlern bei der GPS-Positionierung führen.

10.

Signal­verschlechterung

Absichtliche Verschlechterung von GPS-Signalen (selektive Verfügbarkeit) oder natürliche Ursachen können die Signalqualität und -genauigkeit beeinträchtigen.

Fehlerkorrektur für eine verbesserte Genauigkeit

Um die Auswirkungen dieser Faktoren auf die GPS-Genauigkeit zu reduzieren, werden in GPS-Empfängern fortschrittliche Algorithmen und Berechnungsmodelle eingesetzt. Diese Algorithmen kompensieren Signalverzögerungen, Mehrwegefehler und atmosphärische Effekte. Sie verbessern so die Zuverlässigkeit und Präzision der GPS-Positionierung.

Fazit

Während die GPS-Technologie die Navigation und standortbezogene Dienste revolutioniert hat, hängt ihre Genauigkeit von verschiedenen Umwelt- und technischen Faktoren ab. Durch das Verständnis dieser Faktoren können Benutzer fundierte Entscheidungen darüber treffen, wann und wo sie sich auf die GPS-Technologie verlassen können.

Darüber hinaus verbessern kontinuierliche Fortschritte in der GPS-Empfängertechnologie und den Signalverarbeitungstechniken die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der GPS-Positionierung. Dadurch stellen sie sicher, dass sie in unserer modernen Welt weiterhin unverzichtbar ist.

Titelbild: vector / freepik

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