GPS erklärt: Wie weiß dein Handy, wo du bist?

Satelliten, die wissen, wo du bist

Du öffnest Google Maps, und innerhalb von Sekunden zeigt dir dein Handy deinen Standort auf wenige Meter genau. So alltäglich, dass wir kaum noch darüber nachdenken. Aber wie funktioniert das eigentlich?

Die Antwort kreist – buchstäblich – um die Erde: 31 Satelliten^¹ in etwa 20.200 Kilometern Höhe, die permanent Zeitsignale zur Erde funken. Willkommen in der Welt des Global Positioning System.

Das Grundprinzip: Trilateration

GPS basiert auf einem einfachen geometrischen Prinzip: Wenn du weißt, wie weit du von mehreren bekannten Punkten entfernt bist, kannst du deinen Standort berechnen.

Stell dir vor, du weißt: “Ich bin 5 km von Turm A entfernt.” Das schränkt deinen Standort auf einen Kreis um Turm A ein. Kommt die Information hinzu “3 km von Turm B”, bleiben zwei Schnittpunkte. Mit einem dritten Turm ist der Standort eindeutig.

In drei Dimensionen (Länge, Breite, Höhe) braucht man mindestens vier Satelliten. Der vierte korrigiert einen entscheidenden Fehler: Die Ungenauigkeit der Uhr in deinem Gerät.

Warum Zeit alles ist

GPS-Satelliten senden keine Standortdaten. Sie senden Zeitsignale^² – den exakten Zeitpunkt ihrer Aussendung, gemessen mit Atomuhren^³ an Bord.

Dein Gerät empfängt dieses Signal und vergleicht es mit seiner eigenen Uhr. Die Differenz – die Signallaufzeit – verrät die Entfernung. Funksignale bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit^⁴: etwa 300.000 km pro Sekunde. Eine Millisekunde Laufzeit entspricht 300 Kilometern Entfernung.

Das Problem: Dein Handy hat keine Atomuhr. Ein Fehler von nur einer Mikrosekunde bedeutet 300 Meter Abweichung. Deshalb braucht GPS den vierten Satelliten – um den Uhrenfehler deines Geräts herauszurechnen.

Die magische Frequenz: 1575,42 MHz

Alle zivilen GPS-Empfänger lauschen auf 1575,42 MHz^⁵ – der sogenannten L1-Frequenz. Diese Frequenz wurde nicht zufällig gewählt: Sie durchdringt die Ionosphäre^⁶ gut und wird von Regen wenig gedämpft.

Auf dieser Frequenz senden alle Satelliten gleichzeitig – unterscheidbar durch verschiedene Codes. Jeder Satellit hat eine einzigartige Pseudozufallsfolge^⁷, die dein Empfänger erkennt.

Relativität im Alltag

GPS ist einer der wenigen Orte, wo Einsteins Relativitätstheorie^⁸ praktische Auswirkungen hat:

Spezielle Relativität: Die Satelliten bewegen sich mit etwa 14.000 km/h. Nach Einstein vergeht Zeit für bewegte Objekte langsamer. Die Satellitenuhren gehen daher etwa 7 Mikrosekunden pro Tag nach.

Allgemeine Relativität: In der Höhe der Satelliten ist die Gravitation schwächer. Zeit vergeht dort schneller – etwa 45 Mikrosekunden pro Tag.

Der Nettoeffekt: Die Satellitenuhren laufen etwa 38 Mikrosekunden pro Tag vor. Ohne Korrektur würde GPS-Positionierung innerhalb eines Tages um etwa 10 Kilometer abdriften. Die Korrektur ist in die Satelliten eingebaut – ein Triumph der theoretischen Physik.

Warum dein Handy so schnell ist: A-GPS

Traditionelle GPS-Empfänger brauchen Minuten, um ihre Position zu bestimmen. Sie müssen erst die Almanach-Daten^⁹ aller Satelliten empfangen – was bis zu 12,5 Minuten dauern kann.

Smartphones nutzen Assisted GPS (A-GPS)^¹⁰: Sie laden die Bahndaten der Satelliten übers Mobilfunknetz, statt sie vom Himmel zu empfangen. Deshalb funktioniert GPS in der Stadt oft nur mit Mobilfunkempfang wirklich schnell.

Genauigkeit und ihre Grenzen

Ziviles GPS erreicht typischerweise 3–5 Meter Genauigkeit. Das reicht für Navigation, aber nicht für Vermessung. Die Fehlerquellen:

• Ionosphärische Verzögerung: Die Ionosphäre bremst Funksignale leicht ab
• Troposphärische Verzögerung: Auch die untere Atmosphäre hat Einfluss
• Mehrwegeausbreitung: Signale reflektieren an Gebäuden
• Satellitengeometrie: Ungünstig verteilte Satelliten verringern die Präzision

Professionelle Systeme wie RTK-GPS^¹¹ erreichen Zentimeter-Genauigkeit durch Korrektursignale von Bodenstationen.

GPS und seine Verwandten

GPS ist nicht das einzige Satellitennavigationssystem:

Moderne Smartphones nutzen oft mehrere Systeme gleichzeitig. Mehr Satelliten bedeuten bessere Geometrie und höhere Genauigkeit – besonders in Städten, wo Gebäude Teile des Himmels blockieren.

Die militärische Herkunft

GPS wurde vom US-Verteidigungsministerium entwickelt, primär für Waffensysteme und Truppennavigation. Bis 2000 war das zivile Signal künstlich verschlechtert (“Selective Availability”^¹⁴), um Genauigkeit von etwa 100 Metern auf ziviler Seite zu garantieren – während das Militär Meter-Präzision hatte.

Heute ist das zivile Signal voll präzise. Aber GPS bleibt unter US-Kontrolle – theoretisch kann es in Krisenregionen abgeschaltet oder verschlechtert werden. Das ist einer der Gründe, warum Europa Galileo entwickelt hat.

GPS und die Frequenz-Welt

Für Funkempfang mit einem RTL-SDR ist GPS weniger interessant – die Signale sind zu schwach und die Dekodierung komplex. Aber GPS zeigt, wie zentral Frequenzen für moderne Technologie sind: Eine präzise Frequenz, stabile Atomuhren und Signallaufzeiten im Nanosekundenbereich machen Navigation möglich.

Die Welt funktioniert auf Frequenzen. GPS ist der Beweis.

Weiterführende Artikel: RTL-SDR für Einsteiger | Das 433 MHz ISM-Band