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GPS - Global Positioning System 04:24 min

Textversion des Videos

Transkript GPS - Global Positioning System

Three. Two. One. Zero. Grundvoraussetzung für das Markieren und Auffinden von Wegpunkten über geographische Koordinaten beim Geocaching ist die Technik des GPS. Sie wurde in den Siebziger Jahren für das amerikanische Militär entwickelt. Die USA brachten dazu eine Reihe von Satelliten auf unterschiedlichen Umlaufbahnen um die Erde. GPS, das steht für Global Positioning System. Das ist ein technisches System zur Bestimmung der Position auf der Erde und damit auch zur Navigation zu Erde, Wasser und Luft. Seit den Neunziger Jahren steht das GPS auch für die zivile Nutzung zur Verfügung. In der Zwischenzeit ist eine Vielzahl von Satelliten in einer Art Netz um den Globus verteilt. Auf unterschiedlichen Orbits um die Erde unterwegs sendet jeder Satellit ein Signal aus, das aus den Informationen besteht, wie er heißt, wo er sich über der Erde befindet und wann er dieses Signal gesendet hat. Stark vereinfacht dargestellt funktioniert die Positionsbestimmung über GPS so: Ein Empfänger errechnet die Zeitdifferenz zwischen der Absendung eines Satellitensignals und dem Empfang dieser Daten auf der Erde. Durch diese Differenz ergibt sich die Entfernung des Satelliten zum eigenen Standpunkt. Die Zeitsignale der Satelliten müssen dazu von hochpräzisen Atomuhren vorgegeben werden, denn schon der Fehler von einer Millisekunde würde eine Verschiebung der Position von etwa 3000 Kilometer ausmachen. Ein GPS-Empfänger kann gleichzeitig Informationen von mehreren Satelliten empfangen und daraus eine exakte Standortbestimmung errechnen. Ein Empfangsgerät auf der Erde nimmt das Signal von einem Satelliten auf. Aber dies reicht nicht zur Positionsbestimmung aus, denn der Bereich der möglichen Standpunkte ist zu groß. Der Empfang eines zweiten Satellitensignals schränkt die Möglichkeit der Standpunkte schon ein. Durch die Berechnung der Schnittpunkte der Signalbereiche kann man sich nur noch an Position A oder Position B befinden. Mit dem Signal eines dritten Satelliten wird die Bestimmung der Position schließlich eindeutig. Es kommt nur der Bereich um den Punkt B infrage, und dies mit einer Genauigkeit von wenigen Metern. In unseren Breiten kann man über das dichte Satellitensystem in der Regel stets das Signal von mindestens vier Satelliten erreichen, meist sind es sogar wesentlich mehr. Je nach der Beschaffenheit des GPS-Geräts kann man mit diesen Signalen in Kombination mit Landkarten oder der Funktion eines Kompass eine Reihe von unterschiedlichen Daten generieren, die einem Aufschluss über Wegpunkte, Höhenmeter, gesetzte Ziele oder Wegzeiten ermöglichen. Beim Geocaching werden diese Daten zum Markieren und Auffinden von Caches genutzt. Bei der Positionsbestimmung kann es zu Problemen kommen, wenn der Empfang der GPS-Daten durch natürliche oder künstliche Hindernisse gestört wird. In der Stadt kann der Empfang zum Beispiel von Hochhäusern in der Umgebung beeinträchtigt sein. In engen Bergschluchten können die Signale ebenfalls schlechter als auf offenem Gelände sein. Und schließlich können auch dichte Bäume den ungestörten Empfang von Satellitensignalen behindern. So muss man sich also beim Bewegen im Gelände immer im Klaren sein, ob und welche Umstände vielleicht zur Beeinträchtigung des GPS-Signals beitragen könnten.

GPS - Global Positioning System Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video GPS - Global Positioning System kannst du es wiederholen und üben.

  • Bestimme die passenden Fakten über GPS.

    Tipps

    Das amerikanische Militär hat GPS in den 70er Jahren entwickelt.

    In den 90er Jahren wurde die Datennutzung durch GPS für die allgemeine Bevölkerung freigegeben.

    GPS steht für Global Positioning System.

    Lösung

    Zur Orientierung auf der Erde wurde lange Zeit der Kompass in Kombination mit anderen Geräten und Kenntnissen verwendet.

    • Andere Geräte waren beispielsweise in der Schifffahrt der Sextant, ein nautisches Winkelmessgerät.
    • Kenntnisse über Sonnenstand sind zur Grundorientierung stets hilfreich.
    In den 70er Jahren wurde das Global Positioning System, kurz GPS, erfunden.
    • Es ist ein technisches System zur Bestimmung der Position auf der Erde.
    • GPS kann genutzt werden, um sich auf der Erdoberfläche, in der Luft oder auf dem Wasser zu orientieren und um zu navigieren.

  • Zeige auf, wie die Standortbestimmung mit GPS funktioniert.

    Tipps

    Mit einem GPS-Empfangsgerät und Signalen von drei Satelliten kann man einen Standort exakt bestimmen.

    Mit einem Signal ist die Standortbestimmung ungenau. Mit zwei Signalen können zwei Standorte definiert werden.

    Und mit einem dritten Satellitensignal wird der aktuelle Standort dann definitiv bestätigt.

    Lösung

    Du kennst jetzt die minimale Ausrüstung für eine einfache GPS-Standortbestimmung:

    • ein GPS-Empfangsgerät und die Signale von drei verschiedenen Satelliten.
    Nun kannst du die Funktionsweise vereinfacht darstellen:
    • Mit einem ersten und einem zweiten Satellitensignal werden zwei Standorte bestimmt. Das dritte Signal bestätigt einen dieser beiden Standorte.
    Grundlage der GPS-Positionierung sind Zeitsignale, also die Zeit, die das Signal vom Satelliten zum Empfangsgerät benötigt.
    • Hierzu werden hochpräzise Atomuhren eingesetzt.
    • Schon ein Fehler von Millisekunden würde eine Verschiebung von ca. 3.000 km ausmachen.
    • Da die meisten GPS-Geräte keine hochpräzisen Messgeräte beinhalten, wird ein vierter Satellit benötigt, um diese Genauigkeit der Zeitmessung umzusetzen.

  • Beschreibe die Funktion von Satelliten bei der Standortbestimmung.

    Tipps

    Der Empfang von GPS-Signalen ist beispielsweise möglich mit Smartphones, Autonavigationsgeräten und Smartwatches.

    Ca. 24 Satelliten senden für das Global Positioning System aus ca. 20.000 m Höhe Signale.

    Lösung

    Nun weißt du also,

    • dass über uns in ziemlich weiter Höhe (ca. 20.000 km) ungefähr 24 Satelliten auf unterschiedlichen Umlaufbahnen die Erde umkreisen,
    • um uns mit Daten zur GPS-Navigation zu versorgen.
    Was ist denn nun ein Satellit?
    • Satelliten sind Objekte, die einen Planeten auf einer Umlaufbahn umrunden.
    • Es gibt natürliche Satelliten, diese nennt man Monde.
    • Und es gibt künstliche Satelliten. Dazu gehören beispielsweise die ca. 24 Satelliten für die GPS-Navigation.

  • Ermittle weitere globale Navigationssatellitensysteme.

    Tipps

    GPS ist das bekannteste globale Navigationssatellitensystem.

    Ungefähr 24 Satelliten, die sich in der Stratosphäre bewegen, versorgen die gesamte Welt mit Navigationsdaten.

    Es gibt noch weitere globale Navigationssatellitensysteme (GNSS).

    Die Russische Föderation bietet GLONASS an, China BEIDOU. Auch Europa entwickelt ein eigenes GNSS: Galileo.

    Lösung

    Neben den Satelliten des GPS-Systems umrunden also noch weitere Navigationssatelliten unsere Erde.

    Sind dies nun die einzigen Satelliten, die die Erde umrunden? Für welche Beobachtungen und Dienste werden noch Satelliten benötigt?

    • Du weißt, dass die Wetterbeobachtung und -vorhersage heute sehr oft am Satellitenbild erklärt wird. Es gibt also viele Satelliten zur Wetterbeobachtung.
    • Einige Haushalte nutzen Satellitenfernsehen. Auch hierzu umkreisen einige Satelliten die Erde.
    • Die Erforschung der Erde, der Sonne sowie Sternen bis hin zu anderen Galaxien wird über Satelliten gesteuert.
    • Auch für die Telekommunikation werden Satelliten eingesetzt.

  • Definiere Geräte und Daten zur erfolgreichen Standort- und Navigationsbestimmung.

    Tipps

    Drei Navigationshilfsmittel sowie vier Navigationsdaten werden zugeordnet.

    Navigationshilfsmittel sind unter anderem Kompass, Landkarte, GPS-Gerät.

    Lösung

    Mit GPS-Geräten und teilweise auch mit Kompass und Landkarten kann man hilfreiche Daten generieren.

    • Man kann Standorte genau bestimmen.
    • Höhenmeter von Standorten und die Summe von Höhenmetern können berechnet werden.
    • Man kann zwischen verschiedenen Standorten hin- und hernavigieren.
    • Wegzeiten können berechnet werden.

  • Erläutere den Aufbau von Satelliten.

    Tipps

    Tausende Satelliten werden für verschiedene Zwecke eingesetzt, z. B. zur Wetterbeobachtung und zu Forschungszwecken.

    Widerstandsfähigkeit ist ein wichtiges Merkmal bei der Herstellung von Satelliten.

    Neben der Hauptplattform sind noch Sonnenkollektoren und wiederaufladbare Akkus eingebaut.

    Lösung

    Jetzt weißt du einiges über

    • das GPS-System,
    • andere Navigationssatellitensysteme und
    • weitere Funktionen von Satelliten.
    Viele Satelliten umkreisen die Erde und es werden immer mehr.
    • Neben bekannten nationalen Weltraumorganisationen wie der NASA (USA) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt gibt es vereinzelte weltweite Foren.
    • Diese verschiedenen globalen Zusammenschlüsse untersuchen ein dringliches Problem: die Vermeidung und die Entsorgung von Weltraummüll.
    • Bei einer steten Zunahme der Satelliten gibt es zwingenden Handlungsbedarf beim Thema Vermüllung.