Wie funktioniert GPS Teil 1
Im Lateinischen bedeutet “navi-gare” das Lenken eines Schiffs (von “navis” = “Schiff” und “agere” = “bewegen, lenken”). Wir wissen, dass um 3500 v. Chr. zum ersten Mal Handelsschiffe für den Transport von Gütern eingesetzt wurden. Diese Zeit war die Geburtsstunde der Navigation.
Die Anfangszeit der Navigation
Unsere Vorfahren unternahmen größte Anstrengungen, um sich nicht zu verfahren, von der Errichtung von Bauwerken zur Orientierung bis hin zu großen Feuern auf Berggipfeln.
Die Grundprinzipien der Navigation haben sich seitdem kaum geändert.
Vor der Entdeckung einer zuverlässigen Methode zur Bestimmung der geografischen Länge war es nicht möglich, die genaue Position in Ost-West-Richtung zu bestimmen. Sobald kein Land mehr in Sicht war, waren Seefahrer daher bis ins späte 18. Jahrhundert darauf angewiesen, ihre Längenposition anhand der zurückgelegten Strecke zu schätzen. Die zu diesem Zweck verwendete Methode heißt Koppeln.
Anhand der Formel Geschwindigkeit x Zeit = Entfernung konnte die zurückgelegte Strecke errechnet werden, indem die Fahrzeit mit der Geschwindigkeit des Schiffes multipliziert wurde.
Wie Sie im GPS-Abschnitt nachlesen können, liegt der GPS-Navigation exakt dieselbe mathematische Formel zugrunde. Der einzige Unterschied liegt in der Genauigkeit der Berechnung. Dieser Unterschied hat es allerdings in sich, denn während GPS die Zeit mit Atomuhren misst, mussten sich frühe Seefahrer auf Sanduhren verlassen; und während bei der GPS-Navigation Entfernungen über Trilateration und Funksignale errechnet werden, mussten Seefahrer ihre Berechnungen auf die Beobachtung von vorbeitreibendem Seetang stützen!
Wir können die Leistung der Pioniere der Navigation nur gebührend würdigen, wenn uns bewusst wird, wie schwierig es gewesen sein muss, ohne den heutigen Fortschritt von Wissenschaft und Technik eine detaillierte Karte zu erstellen.
Längengrad + Breitengrad = Intelligente Navigation
Die ersten Seefahrer folgten einfach bekannten Landmarken. Eine zuverlässige Methode, allerdings mit einigen offensichtlichen Nachteilen. Einerseits musste man bei Tag reisen und immer in Küstennähe bleiben. Andererseits: wenn man sich nur auf bekannte Landmarken verlässt, wie kann man dann Neues entdecken?
Im Zuge der kontinuierlichen Zunahme des Seehandels lernten die Seefahrer, ihre geografische Breite (ihre Position auf der Erdkugel in Nord-Süd-Richtung) bei Tag anhand des Sonnenstandes und bei Nacht mit Hilfe des Polarsterns zu berechnen, um auf hoher See navigieren zu können.
Im weiteren Verlauf der Geschichte hing der Erfolg der einzelnen Volkswirtschaften zunehmend von der Fähigkeit ab, den Handel mit immer entfernteren Regionen der Erde effektiv abzuwickeln. Als Reaktion auf diese wirtschaftlichen Notwendigkeiten wurden die bei der Navigation verwendeten Werkzeuge und Verfahren kontinuierlich verfeinert.
Von Zeit zu Zeit erfuhr diese beständige Weiterentwicklung der Navigation einen besonderen Schub, zum Beispiel als die Europäer die Reichtümer Nord- und Südamerikas, Afrikas und des Orients entdeckten. Eine Konsequenz dieser Entdeckungen vor ungefähr 400 Jahren war die Gründung des ersten multinationalen Unternehmens: der Dutch East India Company.
Im 18. Jahrhundert stand außer Frage, dass jenes Land, das zuerst eine zuverlässige Methode zur Messung der geografischen Länge auf hoher See fände, sich einen enormen Handelsvorsprung vor seinen Wettbewerbern sichern würde. Aus diesem Grund setzten die Seemächte der damaligen Zeit – Frankreich, Holland, Britannien, Spanien, Portugal usw. – ihre klügsten Köpfe auf das Problem an. Wem die Erfindung zuerst gelang (und warum), ist eine eigene Geschichte wert.
Navigation in der Moderne
Die ersten Schritte
Ab dem 17. Jahrhundert ermöglichten Entdeckungen, Erfindungen und Entwicklungen in rascher Folge eine immer zuverlässigere und genauere Positionsbestimmung.
Aber die Zeit der modernen Navigation brach erst in den 1920er Jahren wirklich an, als die ersten Bodenfunksysteme eingeführt wurden.
Die Funkgeräte, mit denen die Navigatoren die Küstensender anpeilten, verwendeten dasselbe Prinzip, das später zur Grundlage der GPS-Technologie wurde: Bestimmung der eigenen Position anhand der gemessenen Entfernung von mehreren Funksendern.
Das war zwar ein echter Durchbruch, aber auch nicht ganz ohne Schwächen. So waren etwa der Reichweite und der Genauigkeit enge Grenzen gesetzt. Die Funktürme des LORAN-Systems boten zum Beispiel eine Reichweite von ca. 800 km und eine Genauigkeit von ca. 250 m. Aufgrund der Signalausbreitung entlang der Erdoberfläche bieten Bodenfunksysteme zudem nur eine 2D-Positionsbestimmung, d. h. sie ermöglichen keine Höhenmessung. Dadurch sind diese Systeme für die Luftfahrt ungeeignet.
Von Funktürmen zu Satelliten
Die Einführung künstlicher Satelliten in den frühen 1960er Jahren verbesserte die Genauigkeit der Sichtfunk-Navigationssignale. Ursprünglich wurden auch die Satelliten in 2D-Systemen wie dem Transit der US Navy eingesetzt. Obwohl Transit relativ einfach aufgebaut war, überzeugte es durch Zuverlässigkeit und bereitete damit den Weg für ein System, das die Navigation schließlich revolutionierte: das Global Positioning System oder kurz GPS.
Mit der Einführung von GPS waren praktisch alle bodenbasierten Systeme überholt. Obwohl heute immer noch einige Bodenfunksysteme im Einsatz sind, wurde das erste globale System (Omega) bereits 1997 abgeschaltet. Die klare Botschaft dieser Umorientierung: Die Zukunft liegt in den Sternen.
