Die Idee stammt wohl von James Bond: in Film "Goldfinger" aus dem Jahr 1964 hatte er in seinem legendären Aston Martin DB5 ein futuristisches Gerät in der Konsole verbaut, welches seine aktuelle Position auf einer Landkarte angezeigte. Heute wirkt das nicht mehr allzu aufregend, immerhin kann jedes Smartphone mittlerweile genau das gleiche.
Grund dafür ist die Satellitennavigation (global navigation satellite system, GNSS). Für die Satellitennavigation senden Satelliten im Weltraum konstant Signale auf die Erde. Das Signal besteht im Prinzip nur aus zwei Information, nämlich der Zeit an Bord des Satelliten und seiner Position im Erdorbit. Die Zeit muss sehr genau bekannt sein, weshalb in den Satelliten hochgenaue Atomuhren eingebaut sind. Ein Empfänger auf der Erde kann diese Signale empfangen. Da die Lichtgeschwindigkeit annähernd konstant ist, kann er aus dem Zeitunterschied zwischen seiner Uhr und dem Zeitsignal des Satelliten seine Entfernung zu diesem Satelliten ausrechnen.
Aus der Kombination von drei Satelliten kann also ein Empfangsgerät auf der Erde seine Position dreidimensional genau bestimmen. In der Praxis ist allerdings etwas anders, immerhin hat niemand mal eben eine Atomuhr in der Tasche. Deshalb nutzen günstige GPS-Empfänger kurzerhand ein Satellitensignal zusätzlich, und berechnen daraus ihre Position. Damit zu jeder Zeit und an jedem Ort mindestens vier Satelliten "sichtbar" sind, besitzen die beiden derzeit aktiven Satellitennavigationssysteme 32 (NAVSTAR-GPS, Amerika) beziehungsweise 24 (GLONASS, Russland) Satelliten. Das geplante europäische GNSS Galileo soll mit 30 Satelliten arbeiten.
Die Genauigkeit von GNSS hängt von folgenden Faktoren ab:
Das GNSS-Prinzip geht davon aus, dass das Signal zwischen Satellit und Empfänger auf einer geraden Bahn empfangen wird. Allerdings werden elektromagnetische Wellen beim Eintritt in die Erdatmosphäre gebrochen, so ähnlich wie Lichtwellen beim Eintritt in ein Wasserbecken. Diese Brechung führt dazu, dass die Wegstrecke zwischen Satellit und Empfänger länger "aussieht", als sie tatsächlich ist.
Wird das Signal am Boden nicht direkt vom Empfänger aufgefangen, sondern vorher noch reflektiert (Beispielsweise in einer engen Häuserschlucht), wird das Signal doppelt empfangen. Diesen Effekt nennt man "Mehrwegeempfang" und führt zu einer Messungenauigkeit.
Die Satellitenbahnen sind nicht konstant, sondern unterliegen Schwankungen. In der Berechnung der Position nimmt man allerdings eine konstante Bahn an.
Die von den Satelliten ausgestrahlten Uhrzeiten müssen hoch genau sein, denn je genauer die Uhrzeit ist, desto genauer stimmt auch der berechnete Entfernungswert im Empfänger. Die Uhrzeit muss auf die Nanosekunde genau stimmen, also auf die milliardstel-Sekunde.
Nicht zuletzt leidet die Genaugkeit des GNSS darunter, dass die Satelliten sich mit bis zu 12000 km/h um die Erde bewegen. Nach der Relativitätstheorie vergeht nun die Zeit immer langsamer, je schneller man sich bewegt. Das ist beim GNSS ein echtes Problem, so vergeht die Zeit an Bord der Satelliten durch die schnelle Bewegung täglich um 7,2 Mikrosekunden langsamer als auf der Erdoberfläche. Außerdem (achtung, jetzt wirds komisch) vergeht die Zeit langsamer, je stärker die Gravitation ist. Und die Gravitation lässt mit steigendem Abstand zur Erdoberfläche ja nach. Dieser Effekt und die schnelle Satellitenbewegung lassen die Zeit des Satelliten täglich um 38 Mikrosekunden "zu schnell" im Vergleich zur Erdoberfläche vergehen. Wenn man diesen Effekt nicht korrigieren würde, wäre ein GNSS um 10 Kilometer(!) pro Tag ungenau, also praktisch wertlos.
Insgesamt unterliegen diese Fehler meistens konstanter Schwankung, weshalb die Genauigkeit des GNSS nie ganz genau angegeben werden kann. Ungefähr stimmt die Position allerdings mit einer Genauigkeit von 10-30 Metern.
Da das GNSS eine komfortable Technik ist (wenige komplizierte und teure Satelliten und einfache und billige Empfangsgeräte), wird sie heute schon als bevorzugter Navigationssensor genutzt. Es existieren auch Weiterentwicklungen, mit denen das GNSS bodengebundene Navigationseinrichtungen (zum Beispiel das ILS) ablösen soll. Diese Technik nennt sich Differential-GPS.
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