GPS-Antennen

können als interne Antennen in weitere Hardware integriert sein, wie z.B. bei typischen Navigationsgeräten für den Straßenverkehr. Als externe Antennen können sie mit weiterer Hardware verbunden sein. So können z.B. im Rucksack getragene hochgenaue Antennen mit einem Tablet-PC verbunden sein, um eine Datenerfassung im Gelände durchzuführen. Je nach Einsatzzweck unterschieden sich externe GPS-Antennen vor allem in der Größe, Form und Genauigkeit. Die Variation reicht von wenigen Gramm schweren mobilen Antennen bis hin zu großen, schweren fest installierten Bodenantennen. Die Verbindung kann über Kabel und auch drahtlos erfolgen. Die Form variiert von würfelförmig über stabförmig bis hin zur Parabolform. Somit bestehen unterschiedlichste Arten von GPS-Antennen im Nutzersegment, die zusätzlich noch grundsätzlich nach ziviler und militärischer Nutzung unterschieden werden können.

GPS-Handgeräte

GPS-Handgeräte sind speziell für die den Empfang und die Verwendung oder Erfassung von GPS-Daten im Gelände konzipiert. Sie verfügen über besondere Eigenschaften, wie z.B. Wasserdichtheit / Stoßfestigkeit. Neben der Möglichkeit unterschiedliche Kartengrundlagen einzubinden, verwendete Einheiten und Koordinatenformate einzustellen, bestehen bezüglich der Erfassung von GPS-Daten (i.d.R. Strecken und Wegpunkte) teils erweiterte Möglichkeiten, wie z.B. Höhendaten über eine barometrische Messung durchführen zu können
Häufig ist ein GPS-unabhängiger Kompass integriert, der auch ohne in Bewegung zu sein, die Richtung anzeigt. Einzelne Tasten können mit speziellen Funktionen belegt sein (z.B. Zoomen, Kartenansicht wechseln, Wegpunkt erfassen usw.). GPS-Handgeräte können, wie der Name andeutet, in der Hand gehalten werden. Moderne Geräte bieten mittlerweile farbige und drucksensitive Displays an.

GPS-Logger

Bei der Aufzeichnung eines Tracks (geordnete Liste von Koordinaten, die ein Strecke beschreiben), spricht man auch von einem Track Log. GPS-Logger erfassen und speichern GPS-Daten lokal.

GPS-Tracker

GPS-Tracker dienen der Ortung / Nachverfolgung von Personen, Tieren oder Gegenständen. Die Positionsdaten können von solchen Geräten auf unterschiedlichen Wegen übermittelt werden, z.B. per SMS an ein Telefon oder über das WWW an einen Server. Der Aufenthaltsort hilfsbedürftiger Menschen, wie Alzheimerpatienten, kann auf diese Weise schnell ermittelt werden. Ebenso lassen sich Tiere nachverfolgen, von der Hauskatze bis zum Zugvogel. GPS-Tracker finden Einsatz bei der Ortung / -überwachung von Autos, Schiffen und Flugzeugen. Ebenso können Container oder Eisenbahnwaggons mit GPS-Trackern ausgestattet werden.

GPS-Navigationsgeräte

Diese Geräte dienen der Navigation auf der Grundlage eines Verkehrsnetzes und sind häufig bei Autos, Schiffen und Flugzeugen fest installiert. Sie können aber auch, z.B. wie bei Fahrrädern üblich in eine Halterung eingesetzt und nach jeder Fahrt wieder entfernt werden. In Verbindung mit TMC (Traffic Message Channel) können neben reinen Verkehrswegedaten auch aktuelle Informationen zur Verkehrslage genutzt werden, um die Navigation zu verbessern (z.B. Umfahren eines Staus).

GPS-Wearables

GPS-Hardware-Produkte, die am Körper getragen / während der Nutzung befestigt werden können, werden auch als GPS-Wearables bezeichnet. Das Spektrum reicht vom GPS-Halsband für Haustiere bis zu GPS-Armbändern -brillen und -uhren, die z.B. Aktivitäten von SportlerInnen oder TouristInnenn erfassen und ggf. beeinflussen.

GPS-fähige Smartphones

Auf GPS-fähigen Smartphones können die meisten Funktionen der zuvor genannten Geräte je nach verwendeter Software ausgeführt werden. Aus diesem Grund stellt ein Smartphone letztlich auch ein äußerst vielseitiges GPS-Handgerät dar, wobei z.T. jedoch klare Unterschiede bestehen, die sowohl Vorteile, als auch Nachteile darstellen können, wie folgende Szenarien veranschaulichen.

  • Im einem moorigen Gelände mit vereinzelten Wasserflächen ist damit zu rechnen, dass die verwendeten Geräte versehentlich fallen gelassen werden.
    Sollen beliebige Smartphones oder robuste GPS-Handgeräte verwendet werden?
  • Bei Minusgraden sollen Wegpunkte erfasst werden.
    Mit einem beliebigen Smartphone oder besser mit einem GPS-Handgerät, das hierzu eine spezielle Taste hat?
  • Tracks inklusive Höhendaten sollen erfasst werden.
    Mit einem beliebigen Smartphone oder besser einem GPS-Handgerät, das einen barometrischen Höhenmesser besitzt?
  • Eine Navigation soll über aktuelle Straßendaten erfolgen.
    Mit einem beliebigen Smartphones, welches die Straßendaten per WWW einbindet oder vorzugsweise mit einem GPS-Handgerät, das Straßendaten lokal speichert?
  • Eine Navigation soll im Gelände mit schlechter Netzabdeckung erfolgen.
    Mithilfe eines beliebigen Smartphones, welches Karten per WWW einbindet oder vielleicht besser mittels GPS-Handgerät, das Karten lokal speichert?
  • Ein GPS-Freizeitangebot soll für große Nutzergruppen bis 30 Teilnehmer/innen realisiert werden.
    Sollen eigene Smartphones der Teilnehmer/innen verwendet, oder hierzu Geräte verliehen werden.

 

Eine klare Unterteilung von Gerätetypen kann letzlich nicht eindeutig vorgenommen werden.
Habe ich eine GPS-Uhr oder eine Uhr mit GPS?

 


Hard- und Software, auch die GPS-Technolgie als solche ist nicht frei von Fehlereinflüssen, die im folgenden aufgeführt werden.

Koordinaten und Koordinatensysteme sind zumeist aus Berechnungen in der Geometrie und Trigonometrie bekannt. Dargestellt werden Punkte in einem zwei- oder dreidimensionalen Raum.

Im Allgemeinen werden rechtwinklige Koordinatensysteme benutzt, bei denen die Koordinatenachsen senkrecht (orthogonal) aufeinander stehen. Diese Systeme werden nach René Descartes (latinisiert Cartesius) Kartesische Koordinatensysteme genannt.

Die horizontale Achse wird als x-Achse, Abszisse oder Rechtsachse bezeichnet, die vertikale Achse als y-Achse, Ordinate oder Hochachse. Werden zur Identifizierung eines Punktes die Abstände zu den Koordinatenachsen herangezogen, dann ergibt sich für einen beliebigen Punkt P im 2-dimensionalen Fall ein Koordinatenpaar (x,y).

Koordinatensystem 2D

Kartesisches 2D-Koordinatensystem

 

Ein dreidimensionales Koordinatensystem besitzt neben der x- und y-Achse eine z-Achse, die als Applikate oder Kote bezeichnet wird. Werden zur Identifizierung eines Punktes die Abstände zu den Koordinatenachsen herangezogen, dann ergibt sich für einen beliebigen Punkt P im jetzt 3-dimensionalen Fall ein Koordinatentripel (x,y,z).

 

Kartesisches Koordinatensystem 3D

Kartesisches 3D-Koordinatensystem als interaktive 3D-Ansicht
(erforderlich ist ein X3D unterstützender Browser s. x3dom.org/contact)

 


Beim GPS wird ebenfalls ein kartesisisches Koordinatensystem verwendet, das nun näher betrachtet werden soll.

Neben unspezifischen Fehlerquellen wie z.B. allgemeinen Hard- und Softwarefehlern bestehen system- bzw. umgebungsbedingte Fehlereinflüsse:

  • Fehler der Satellitenuhren, die nicht von den Kontrollstationen korrigiert werden
  • Schwankungen der Satellitenbahnen
  • Troposphärische und Ionosphärische Laufzeitverlängerungen
  • Laufzeitverlängerungen durch Reflexion der Satellitensignale
    (z.B. an Oberflächen oder Gebäuden in der Nähe des Empfängers)
  • Eingeschränkte Sicht auf die Satelliten
    (z.B. in Häuserschluchten)
  • Kein Empfang von Signalen
    (z.B. bei metallbedampfte Glasscheiben)
     
Die GPS-AnwenderInnen können davon ausgehen, dass ein Teil der Probleme, die durch die Fehlereinflüsse entstehen softwareseitig gelöst werden.


Ist eine hohe Genauigkeit unbedingt erforderlich, wie z.B. im Vermessungswesen, dann sind u.a. spezielle Schnittstellen (z.B. für eine externe hochgenaue GPS-Antenne), externe Dienste für das Einbinden von Korrekturdaten (z.B. WAAS, SAPOS), weitere Verfahren zur Steigerung der Genaugkeit wie DGPS oder das Verwenden von Hilfsdaten (z.B. mittels AGPS).


Nun hast Du einen grundlegenden Einblick in das Thema GPS bekommen.

Mittels Smartphone und einer (kostenlosen) GPS-Software kannst Du direkt loslegen und eigene GPS-Daten erfassen, auswerten und präsentieren.
Neben diesem Modul bietet dir das Web unzählige weitere Informationsquellen zum Thema, schaue dich auch in Videoportalen um.



Falls Du dich noch tiefergehend mit GPS auseinandersetzen möchtest, dann bietet dir nun das folgenden Kapitel Spezialwissen zum Thema.

ECEF-System

Die Koordinaten der GPS-Satelliten und der GPS-NutzerInnen bzw. der GPS-Empfänger werden im sog. ECEF-System bestimmt, einem erdzentrierten (Earth Centered), erdgebundenen (Earth Fixed), globalen, kartesischen Koordinatensystem. Erdzentriert bedeutet, dass der Ursprung des Systems der Massenschwerpunkt der Erde ist; erdgebunden heißt, dass das System mit der Erde um die Z-Achse rotiert.

Die Abbildung zeigt beispielhaft die X,Y,Z Position (kleine weiße Kugel) der DBU - Deutsche Bundesstiftung Umwelt mit
X: 3871.479 km, Y: 546.332 km, Z: 5022.413 km.

ECEF-System mit Beispielkoordinate der DBU

ECEF-System als interaktive Animation (erforderlich ist ein X3D unterstützender Browser s. x3dom.org/contact)

Kartesische GPS-Koordinaten

Das ECEF-System besitzt folgende Eigenschaften:

  • Die Z-Achse ist zum Nordpol gerichtet.
  • Die X-Achse geht durch den Schnittpunkt von Äquatorebene mit dem Nullmeridian.
  • Die Y-Achse steht im rechten Winkel zur X-Achse und Z-Achse.

 

Das Global Positioning System liefert standardmässig X,Y,Z Koordinaten im sog. WGS84 Bezugssystem.
Diese Koordinaten werden dann umgewandelt (transformiert), z.B. in Geographische Koordinaten, die nun vorgestellt werden.