Wie GPS-Handys funktionieren

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Stellen Sie sich vor, Sie fahren zu einem Vorstellungsgespräch und stellen fest, dass Sie sich verfahren haben. Ihr erster Impuls wäre wahrscheinlich, das Unternehmen anzurufen, bei dem Sie sich vorstellen, und nach dem Weg zu fragen. Aber wenn Sie sich nicht sicher sind, wo Sie sind, kann es schwierig sein, den Weg zu finden.

Aber nehmen wir an, Sie verwenden Ihr Telefon für einen anderen Zweck – um herauszufinden, wo genau Sie sich befinden, und um sich den Weg dorthin beschreiben zu lassen. Neue Handys mit GPS-Empfängern (Global Positioning System) können genau das tun. Mit der richtigen Software oder dem richtigen Servicepaket können sie Ihren Standort genau bestimmen, den Weg zu Ihrem Ziel angeben und Informationen über Geschäfte in der Nähe liefern.

In diesem Artikel gehen wir auf die Grundlagen der Funktionsweise von Handys und GPS-Empfängern ein. Anschließend gehen wir darauf ein, wie Telefone diese Technologien miteinander kombinieren.

Grundlagen des Mobiltelefons

Ein Mobiltelefon ist im Grunde ein hochentwickeltes Zwei-Wege-Funkgerät. Türme und Basisstationen, die in einem Netz von Zellen angeordnet sind, senden und empfangen Funksignale. Mobiltelefone enthalten Sender mit geringer Leistung, mit denen sie mit dem nächstgelegenen Sendemast kommunizieren können.

Wenn Sie unterwegs sind, bewegen Sie sich von einer Zelle zur nächsten, und die Basisstationen überwachen die Stärke des Telefonsignals. Wenn Sie sich dem Rand einer Zelle nähern, nimmt Ihre Signalstärke ab. Gleichzeitig stellt die Basisstation in der Zelle, der Sie sich nähern, fest, dass die Stärke Ihres Signals zunimmt. Wenn Sie sich von Zelle zu Zelle bewegen, übertragen die Sendemasten Ihr Signal von einer zur nächsten.

An abgelegenen Orten können die Masten so weit voneinander entfernt sein, dass sie kein einheitliches Signal liefern können. Selbst wenn es viele Sendemasten gibt, können Berge und hohe Gebäude die Signale unterbrechen. Manchmal ist es schwierig, innerhalb von Gebäuden klare Signale zu empfangen, insbesondere in Aufzügen.

 Auch ohne GPS-Empfänger kann Ihr Mobiltelefon Informationen über Ihren Standort liefern. Ein Computer kann Ihren Standort anhand von Messungen Ihres Signals bestimmen, wie z. B.:

Winkel der Annäherung an die Mobilfunkmasten

Wie lange das Signal braucht, um mehrere Masten zu erreichen

Die Stärke Ihres Signals, wenn es die Masten erreicht

Da Hindernisse wie Bäume und Gebäude die Dauer der Signalübertragung zu einem Sendemast beeinflussen können, ist diese Methode oft weniger genau als eine GPS-Messung.

Grundlagen des GPS-Empfängers

Wie ein Mobiltelefon arbeitet ein GPS-Empfänger mit Funkwellen. Anstelle von Sendemasten auf dem Boden kommuniziert er jedoch mit Satelliten, die die Erde umkreisen. Derzeit befinden sich 27 GPS-Satelliten in der Umlaufbahn – 24 sind aktiv im Einsatz und 3 dienen als Reserve, falls ein anderer Satellit ausfällt.

Um Ihren Standort zu bestimmen, muss ein GPS-Empfänger Folgendes wissen:

Die Positionen von mindestens drei Satelliten über Ihnen

Wo Sie sich im Verhältnis zu diesen Satelliten befinden

Der Empfänger verwendet dann die Trilateration, um Ihre genaue Position zu bestimmen. Im Grunde zeichnet er eine Kugel um jeden der drei Satelliten, die er orten kann. Diese drei Kugeln schneiden sich in zwei Punkten – einer befindet sich im Weltraum, der andere auf dem Boden. Der Punkt auf dem Boden, an dem sich die drei Kugeln schneiden, ist Ihr Standort.

Ein GPS-Empfänger muss eine klare Sichtlinie zum Satelliten haben, um funktionieren zu können. Daher können dichte Bäume und Gebäude verhindern, dass er Ihren Standort ermitteln kann.

GPS-Empfänger und Mobiltelefone haben viel gemeinsam, und beide sind sehr beliebt. Im nächsten Abschnitt sehen wir uns einige der Funktionen von GPS-fähigen Handys an.

GPS-Telefone

Fast alle neuen Mobiltelefone, die in Amerika verkauft werden, verfügen über eine eingebaute GPS-Empfangsfunktion. Diejenigen, die nicht über eine solche Funktion verfügen, können eine Verbindung zu einem Server herstellen, der mit den im letzten Abschnitt beschriebenen Techniken ihre Signale analysiert und ihren Standort bestimmt. Auf diese Weise können die Telefone den Standort einer Person an eine Notrufzentrale (PSAP) übermitteln, nachdem sie den Notruf 911 gewählt haben. Das ist aber auch schon alles, was die meisten Telefone mit ihrem GPS können.

Einige Telefone verfügen jedoch über einen vollständigen GPS-Empfänger im Telefon oder können über Kabel oder eine Bluetooth-Verbindung mit einem solchen verbunden werden. Diese GPS-fähigen Telefone verstehen Programmiersprachen wie Java und können Abbiegehinweise oder Informationen über Geschäfte und Sehenswürdigkeiten in der Nähe liefern. Andere können wie ein Ortungsgerät funktionieren. Um eine dieser Funktionen nutzen zu können, müssen Sie Folgendes haben

Ein GPS-fähiges Telefon oder einen kompatiblen GPS-Empfänger

Einen Tarif, der die Übertragung von Karten und GPS-Daten unterstützt

einen Dienstplan oder eine Software, die die eigentlichen Karten und Wegbeschreibungen oder Informationen über den Standort des Telefons bereitstellt

GPS-Berechnungen

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Auf der vorherigen Seite haben wir gesehen, dass ein GPS-Empfänger die Entfernung zu den GPS-Satelliten berechnet, indem er den Weg des Signals vom Satelliten zum Empfänger zeitlich erfasst. Wie sich herausstellt, ist dies ein ziemlich komplizierter Prozess.

Zu einem bestimmten Zeitpunkt (sagen wir um Mitternacht) beginnt der Satellit mit der Übertragung eines langen digitalen Musters, eines so genannten Pseudo-Zufallscodes. Der Empfänger beginnt mit der Ausführung des gleichen digitalen Musters ebenfalls genau um Mitternacht. Wenn das Satellitensignal den Empfänger erreicht, verzögert sich die Übertragung des Musters ein wenig gegenüber der Wiedergabe des Musters durch den Empfänger.

Die Länge der Verzögerung ist gleich der Laufzeit des Signals. Der Empfänger multipliziert diese Zeit mit der Lichtgeschwindigkeit, um zu ermitteln, wie weit das Signal gereist ist. Unter der Annahme, dass sich das Signal in einer geraden Linie fortbewegt hat, ist dies die Entfernung vom Empfänger zum Satelliten.

Für diese Messung benötigen sowohl der Empfänger als auch der Satellit Uhren, die bis auf eine Nanosekunde genau synchronisiert werden können. Für ein Satellitenortungssystem, das nur mit synchronisierten Uhren arbeitet, müsste man nicht nur alle Satelliten mit Atomuhren ausstatten, sondern auch den Empfänger selbst. Atomuhren kosten jedoch zwischen 50.000 und 100.000 Dollar, was sie für den täglichen Gebrauch etwas zu teuer macht.

Globales Positionsbestimmungssystem

Das Global Positioning System bietet eine clevere und effektive Lösung für dieses Problem. Jeder Satellit enthält eine teure Atomuhr, aber der Empfänger selbst verwendet eine gewöhnliche Quarzuhr, die er ständig neu einstellt. Kurz gesagt, der Empfänger sieht sich die eingehenden Signale von vier oder mehr Satelliten an und misst seine eigene Ungenauigkeit. Mit anderen Worten: Es gibt nur einen Wert für die “aktuelle Zeit”, den der Empfänger verwenden kann. Der richtige Zeitwert führt dazu, dass alle vom Empfänger empfangenen Signale auf einen einzigen Punkt im Raum ausgerichtet werden. Dieser Zeitwert ist der Zeitwert, der von den Atomuhren in allen Satelliten gehalten wird. Der Empfänger stellt also seine Uhr auf diesen Zeitwert ein und hat dann den gleichen Zeitwert wie alle Atomuhren in allen Satelliten. Der GPS-Empfänger erhält die Genauigkeit der Atomuhren “umsonst”.

Messen Sie die Entfernung

Wenn Sie die Entfernung zu vier georteten Satelliten messen, können Sie vier Kugeln zeichnen, die sich alle in einem Punkt schneiden. Drei Kugeln werden sich auch dann schneiden, wenn Sie sich verschätzt haben, aber vier Kugeln werden sich nicht in einem Punkt schneiden, wenn Sie falsch gemessen haben. Da der Empfänger alle Entfernungsmessungen mit seiner eigenen eingebauten Uhr durchführt, werden die Entfernungen alle proportional falsch sein.

Berechnen Sie die notwendige Anpassung

Der Empfänger kann leicht die notwendige Korrektur berechnen, damit sich die vier Kugeln in einem Punkt schneiden. Auf dieser Grundlage stellt er seine Uhr neu ein, um sie mit der Atomuhr des Satelliten zu synchronisieren. Da der Empfänger dies ständig tut, wenn er eingeschaltet ist, ist er fast so genau wie die teuren Atomuhren in den Satelliten.

Tatsächliche Position der Satelliten

Damit die Entfernungsangaben überhaupt von Nutzen sind, muss der Empfänger auch wissen, wo sich die Satelliten tatsächlich befinden. Dies ist nicht sonderlich schwierig, da sich die Satelliten auf sehr hohen und vorhersehbaren Bahnen bewegen. Der GPS-Empfänger speichert einfach einen Almanach, der angibt, wo sich jeder Satellit zu einem bestimmten Zeitpunkt befinden sollte. Dinge wie die Anziehungskraft des Mondes und der Sonne verändern die Umlaufbahnen der Satelliten nur geringfügig, aber das Verteidigungsministerium überwacht ständig ihre genauen Positionen und überträgt alle Anpassungen an alle GPS-Empfänger als Teil der Satellitensignale.