Wie funktioniert GPS? Satellitennavigation einfach erklärt

Hinweis: Dieser Beitrag stammt aus dem Jahr 2020 und wurde im Oktober 2026 aktualisiert.

Ob im Auto, beim Joggen oder in der Karten-App auf dem Smartphone: Satellitennavigation sagt uns jederzeit, wo wir sind. Das bekannteste System ist das Global Positioning System (GPS), auch NAVSTAR GPS genannt. Es wurde vom US-Militär entwickelt und ist seit 1995 voll einsatzbereit. Heutige Empfänger nutzen neben GPS meist auch das europäische Galileo, das russische GLONASS und das chinesische BeiDou – zusammen spricht man von GNSS (Global Navigation Satellite Systems). Wie funktioniert die Ortung per Satellit?

Die Satelliten

GPS ist für mindestens 24 Satelliten ausgelegt; meist sind rund 30 aktiv. Sie kreisen in etwa 20.200 Kilometern Höhe auf sechs Bahnebenen, die um 55 Grad zum Äquator geneigt sind, und umrunden die Erde zweimal pro Tag. Die Bahnen sind so angelegt, dass von fast jedem Ort der Erde aus jederzeit mindestens vier, meist sechs oder mehr Satelliten sichtbar sind. An Bord jedes Satelliten tickt eine hochgenaue Atomuhr.

Das Prinzip: Entfernung aus der Laufzeit

Jeder Satellit sendet ständig ein Signal mit seiner genauen Position und der exakten Sendezeit. Ihr Empfänger misst, wann das Signal ankommt. Weil sich Funksignale mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, ergibt die Laufzeit die Entfernung zum Satelliten – etwa 20.000 Kilometer in rund 0,07 Sekunden.

Kennt der Empfänger seine Entfernung zu mehreren Satelliten, deren Positionen bekannt sind, kann er seinen Standort berechnen: Er liegt dort, wo sich die gedachten Kugeln um die Satelliten schneiden. Dieses Verfahren nennt man Trilateration. Mit drei Satelliten ließe sich die Position in drei Dimensionen – Ost, Nord und Höhe – bestimmen, wenn die Uhr im Empfänger exakt ginge.

Warum man vier Satelliten braucht

Genau hier liegt die Schwierigkeit: Ein Fehler von nur einer Millionstelsekunde entspräche 300 Metern. Ein Smartphone kann aber keine Atomuhr enthalten. Die Lösung: Der Empfänger nutzt das Signal eines vierten Satelliten und behandelt seine eigene Uhrabweichung als vierte Unbekannte. Aus vier Messungen berechnet er gleichzeitig Länge, Breite, Höhe und die exakte Uhrzeit.

Sind nur drei Satelliten verfügbar, kann der Empfänger lediglich eine zweidimensionale Position ohne Höhe bestimmen, indem er eine Höhe annimmt. In den Bergen kann diese Position deutlich danebenliegen. Moderne Empfänger verfolgen alle sichtbaren Satelliten mehrerer Systeme gleichzeitig – oft 20 und mehr – und wählen die besten für die Berechnung aus.

Interessant: Ohne Einsteins Relativitätstheorie würde GPS nicht funktionieren. Die Uhren in den schnellen, weit entfernten Satelliten gehen im Vergleich zur Erde um rund 38 Mikrosekunden pro Tag vor – ohne Korrektur würde sich ein Positionsfehler von etwa zehn Kilometern pro Tag aufsummieren.

Almanach und Ephemeriden

Um die Positionen der Satelliten zu kennen, braucht der Empfänger zwei Arten von Daten, die die Satelliten ständig mitsenden:

Almanach: grobe Bahndaten und Status aller Satelliten. Damit weiß der Empfänger, welche Satelliten gerade über dem Horizont stehen. Der vollständige Almanach braucht etwa 12,5 Minuten zur Übertragung und bleibt wochenlang brauchbar.
Ephemeriden: sehr genaue Bahndaten jedes einzelnen Satelliten, mit denen sich seine Position auf wenige Meter berechnen lässt. Sie werden etwa alle zwei Stunden aktualisiert und sind rund vier Stunden gültig. Der Empfang dauert pro Satellit etwa 30 Sekunden.

Kaltstart, Warmstart und Heißstart

Wie schnell der Empfänger nach dem Einschalten die erste Position findet (den „Fix“), hängt davon ab, welche Daten er noch gespeichert hat:

Kaltstart: Keine gültigen Daten vorhanden, etwa nach langer Pause oder einer weiten Reise. Ein reiner GPS-Empfänger braucht dann mehrere Minuten, ältere Geräte teils deutlich länger.
Warmstart: Almanach, ungefähre Position und Uhrzeit sind bekannt, die Ephemeriden fehlen. Meist 30 Sekunden bis 2 Minuten.
Heißstart: Alle Daten sind noch gültig, etwa wenn das Gerät weniger als eine Stunde ausgeschaltet war. Wenige Sekunden.

Tipp für Navis und Sportuhren: Bei langer Pause das Gerät vor dem Losfahren oder -laufen mit freiem Blick zum Himmel ein paar Minuten suchen lassen.

A-GPS: Warum Smartphones so schnell sind

Smartphones finden ihre Position meist fast sofort. Sie nutzen Assisted GPS (A-GPS): Über die Mobilfunk- oder WLAN-Verbindung laden sie Almanach- und Ephemeridendaten von einem Server herunter, statt auf die langsame Übertragung vom Satelliten zu warten. Zusätzlich liefern Funkmasten und bekannte WLAN-Netze eine grobe Startposition. In Gebäuden, wo Satellitensignale schwach sind, orten Smartphones sich teilweise nur über WLAN und Mobilfunk. Ohne Netzverbindung braucht auch ein Smartphone für einen Kaltstart eine bis zwei Minuten.

Wie genau ist GPS?

Die Genauigkeit hängt von der Stellung der Satelliten am Himmel, Störungen in der Atmosphäre, Reflexionen an Gebäuden (in Häuserschluchten besonders problematisch) sowie kleinen Uhren- und Bahnfehlern ab. Unter freiem Himmel liegen Smartphones und Handgeräte meist bei wenigen Metern; viele aktuelle Smartphones empfangen zwei Frequenzen (L1 und L5) und erreichen damit eine noch bessere Genauigkeit. Die Höhe ist typischerweise ungenauer als die horizontale Position. Die Genauigkeitsanzeige auf dem Gerät ist nur ein Schätzwert.

Bis zum Jahr 2000 verschlechterte das US-Militär die zivile Genauigkeit absichtlich („Selective Availability“) auf rund 100 Meter. Seit diese Funktion abgeschaltet wurde, ist GPS auch für zivile Nutzer sehr präzise.

Noch genauer: Korrekturdienste

SBAS (in Europa EGNOS, in den USA WAAS): Bodenstationen messen Fehler und senden Korrekturdaten über geostationäre Satelliten an kompatible Empfänger. Das verbessert die Genauigkeit und ist zum Beispiel in der Luftfahrt wichtig.
DGPS und RTK: Korrekturdaten von nahen Referenzstationen, etwa per Mobilfunk, ermöglichen Genauigkeiten bis in den Zentimeterbereich – genutzt in Landwirtschaft, Vermessung und bei Mährobotern.
Galileo-Hochgenauigkeitsdienst: Galileo bietet kostenlose Korrekturdaten für Genauigkeiten im Dezimeterbereich.

GPS liefert nur die Position. Die eigentliche Navigation – die Route, die Abbiegehinweise, die Staumeldungen – berechnet das Navi oder die Karten-App anhand digitaler Karten. Im Tunnel, wo kein Satellitensignal ankommt, schätzen Navis die Position mithilfe von Geschwindigkeit, Richtung und Bewegungssensoren weiter.

Häufige Fragen zu GPS

Kostet GPS etwas?
Nein. Die Signale von GPS, Galileo und den anderen Systemen sind für zivile Nutzer kostenlos. Kosten entstehen nur für Geräte, Karten oder mobile Daten.

Kann mein Handy mich ohne Internet orten?
Ja. Der GPS-Empfang selbst braucht kein Internet. Ohne Datenverbindung dauert die erste Ortung nur länger, und Karten müssen vorher heruntergeladen werden.

Was ist der Unterschied zwischen GPS und Galileo?
Beide funktionieren nach demselben Prinzip. GPS wird vom US-Militär betrieben, Galileo ist das zivile europäische System. Moderne Empfänger nutzen beide gleichzeitig und werden dadurch genauer und zuverlässiger.