GPS-Tracker: So funktioniert GPS-Tracking!

GPS-Tracking ist heutzutage ein sehr populärer Begriff. Es ist fast schon normal, dass Menschen mit Objekten verbunden sind oder GPS nutzen, um ihre Route mit GPS-Apps wie Google Maps einsehen. Doch was genau ist ein sogenannter GPS-Tracker und wie funktioniert er? Dieser Artikel gibt dir einen Überblick über die Entwicklung und Funktion der GPS-Tracker, die bei der US-Luftwaffe in den 1950er Jahren beginnt und in gängigen GPS-Anwendungen bis heute voranschreitet. Als Unternehmen, das speziell für E-Bikes Mini GPS-Tracker entwickelt, gehen wir, PowUnity, dabei größtenteils auf den Einsatz und die Funktion der GPS-Tracker im Mobilitätssektor wie in Autos oder E-Bikes ein.

Smartphone App am Handy zeigt aufgezeichnete Route eines GPS Trackers auf einer Karte

Was ist ein GPS-Tracker: Eine Definition des Globalen Positionsbestimmungssystems

Ein Globales Positionsbestimmungssystem (GPS) kann als ein Ortungsgerät definiert werden, das üblicherweise an einem Fahrzeug (z. B. Auto-GPS-Tracker), an einer Person oder an einem Objekt 1 angebracht wird, um deren relative Position zu bestimmen.

GPS-Ortung ist eine Methode, bei der es darum geht, den genauen Standort von etwas zu ermitteln und zu überwachen. Ein GPS-Tracker 2 enthält eine GPS Komponente, die die GPS-Signale sammelt und die Koordinaten des zu ortenden Apparates errechnet. Diese werden per Mobilfunk, Wi-Fi oder Funkfrequenzen 3 über das Internet 4 übertragen. Ein Tracking System kann beispielsweise an einem Fahrzeug, an Mobiltelefonen oder anderen GPS Tracker-orientierten Geräten angebracht werden. Der GPS-Tracker kann auf diesen Geräten entweder fest installiert oder tragbar sein.

GPS-Ortung ist eine Methode zur genauen Standortermittlung und zur Überwachung.

Ein GPS-Tracker funktioniert auf der Grundlage der Bereitstellung präziser Informationen, wie z. B. des genauen Standorts eines Autos oder einer Person. Außerdem kann es die Bewegungen einer Person oder eines Autos verfolgen. Unser Unternehmen, PowUnity, entwickelt einen GPS-Tracker für E-Bikes und nutzt die GPS-Ortung, um den Echtzeit-Standort und die Routen der Räder zu beobachten. Zudem kann der GPS-Tracker verlorene oder gestohlene E-Bikes aufspüren, da man in der dazugehörigen App 5 ihren Standort auf einer Karte verfolgen kann.

GPS ist ein weltweites Funknavigationssystem, das derzeit von 24 Satelliten 6 und deren Bodenstationen gestützt wird. Das System wird vom US-Verteidigungsministerium gesteuert, da es ausschließlich für militärische Zwecke entwickelt wurde. Heute gibt es zahlreiche GPS-Tracker-Dienste weltweit, da jeder zivile Nutzer ohne Gebühren oder Einschränkungen GPS-Tracker nutzen kann.

Grafische Darstellung: So funktioniert GPS-Tracking

GPS-Tracking nutzt das Netzwerk des Globalen Navigationssatellitensystems GNSS, um verschiedene Satelliten zu integrieren, die Mikrowellensignale verwenden. Die Wellen, die an das GPS übertragen werden, liefern Informationen über die Position, die Geschwindigkeit oder die Richtung von Gegenständen. Ein GPS-Tracker kann somit frühere und Echtzeit-Navigationsinformationen über eine zurückgelegte Strecke oder Fahrt liefern.

Entwicklung und Geschichte des GPS-Tracker Systems

Die US-Luftwaffe entwickelte GPS zunächst mit dem Ziel, die militärischen Operationen zu verbessern. Historisch bedingt basiert der GPS-Tracker teilweise auf Funknavigationssystemen wie LORAN und DECCA Navigator. Weltweit unterstützt GPS die gesamte Navigation, Überwachung und die Ortung von Objekten. Der Einsatz von GPS hat einen Umfang erreicht, durch den es sich auf fast jeden Aspekt unseres Lebens auswirkt.

Die US-Regierung ist Eigentümer und Betreiber des GPS-Netzwerks, das ursprünglich für militärische Zwecke entwickelt wurde.

Die Entwicklung von GPS begann 1958, als sowjetische Experten den ersten Satelliten namens Sputnik ins All schickten. Die Erkenntnisse der Wissenschaftler am MIT zeigten, dass die Funkfrequenzen des Satelliten je nach Standort ihren Verlauf änderten. Der Doppler-Effekt, nämlich die sich ändernde Frequenzaussendung von Satelliten, brachte die Wissenschaftler auf die Idee, dass die Position eines Satelliten entlang seiner Umlaufbahn durch die Berechnung der Radiofrequenzvariationen eines Signals direkt vom Boden aus verfolgt oder nachvollzogen werden kann. Mit der Erkenntnis, wie das GPS funktioniert, erzielten die Wissenschaftler am MIT einen Durchbruch, der der Welt der Technik zu einem enormen Vorteil verhalf. Die MIT-Wissenschaftler unterstützten das US-Militär, indem sie an einem neuen Satelliten arbeiteten, der dem Militär dabei helfen konnte, die strategischen Positionen von Verbrechern und die Hauptziele von Terroristen am Boden, in der Luft und auf dem Wasser zu orten.

Grafik zeigt E-Bikes, die mit Satelliten kommunizieren und damit ihren GPS Standort definieren.

TRANSIT und ESTIMATION

Wissenschaftler der US-Marine entwickelten das erste Navigationssatellitensystem, genannt TRANSIT. Mithilfe von Satelliten konnte die Marine ihre mit Atomraketen bestückten U-Boote zur Bekämpfung von Feinden und Terroristen lokalisieren. Die TRANSIT-Technologie nutzte fünf Konstellationssatelliten, die pro 60-Minuten-Zeitraum rund einmal einen Navigationsfix liefern konnten. Das System wurde 1960 erstmals erfolgreich in die Praxis umgesetzt.

Fünf bis sechs Jahre nach der Implementierung von TRANSIT entwickelte die US-Marine mithilfe von MIT-Wissenschaftlern einen weiteren Satelliten, der ESTIMATION genannt wurde. Dieser Satellit bot die Möglichkeit, präzise Uhren im Weltraum zu platzieren. Bis heute stützt sich das GPS auf die ESTIMATION-Technologie. In den frühen 1970er Jahren wurde Omega entwickelt, das weltweit erste bodengebundene Navigationssystem, das als erstes Funknavigationssystem implementiert und in Betrieb genommen wurde. Später lancierte Rockwell International den Block-I-GPS-Satelliten und führte das erste Experiment durch. 1983 schoss ein sowjetischer Abfangjäger ein Zivilflugzeug ab, das in den gesperrten sowjetischen Luftraum geraten war. Danach kündigte der US-Präsident an, dass GPS-Ortungsgeräte von allen Menschen genutzt werden könnten, sobald sie zur Verfügung standen. Jeder sollte fortan seinen eigenen Standort abfragen können.

Grafische Zeitleiste zeigt wichtige Ereignisse der Geschichte des GPS Tracking sein 1950 bis 2000er Jahre

NAVSTAR

Private Technologieunternehmen wie Aerospace begannen, dem US-Militär bei der Entwicklung eines weiteren Satelliten auf der Umlaufbahn behilflich zu sein, der ständig Signale vom Boden empfängt und ununterbrochen sendet. Nach zehnjähriger Entwicklungszeit lancierte die US-Luftwaffe den NAVSTAR, den ersten Satelliten des 24-Satelliten-Peilsystems. Der Einsatz von GPS wurde der Zivilbevölkerung zugänglich gemacht, um deren Sicherheit und Navigation zu verbessern. Ermöglicht wurde dies durch die Aufhebung der selektiven GPS-Verfügbarkeit seit dem Golfkrieg. Die US-Armee und die Wissenschaftler am MIT vergrößerten die Zahl der aktiven, oszillierenden Satelliten erheblich, ebenso wie den Reservebestand, um nicht funktionierende Satelliten zu ersetzen. Die Genauigkeit des GPS wurde von den betriebsfähigen Satelliten deutlich erhöht. Die Wissenschaftler am MIT, private Unternehmen und auch das Verteidigungsministerium arbeiteten an der Entwicklung von GPS-basierten Anwendungen, was die größere Auswahl an solchen Anwendungen hervorbrachte, die heute für den täglichen Gebrauch zur Verfügung steht.

Der emeritierte Präsident der Aerospace Corporation, ein bekannter Ingenieur, entwickelte die Grundlage von GPS, indem er die Langstrecken-Funknavigationshilfe LORAN verbesserte, die im Zweiten Weltkrieg verwendet worden war. Die National Aeronautic Association gewann 1993 als Global Positioning System Team die Robert J. Collier Trophäe, die prestigeträchtigste Luftfahrtauszeichnung in den Vereinigten Staaten.

Wie funktioniert ein GPS-Sender?

GPS nutzt das mathematische Prinzip der Trilateration. Die Spitze des Dreiecks besteht aus zwei Kategorien: 2-D und 3-D Trilateration. Damit das GPS mathematische Berechnungen durchführen kann, muss es mindestens zwei Aspekte kennen. Erstens muss es den aktuellen Standort der Person, des Objekts oder des Fahrzeugs kennen, der von mindestens drei Satelliten angepeilt wird; zweitens muss es den Abstand oder die aktuelle Spanne zwischen dem zu verfolgenden Objekt und dem Verfolgungspunkt kennen.

Grafische Darstellung der GPS-Ortung mittels Satelliten und ihrer gemessenen Entfernung zueinander.

Um Informationen über den genauen Standort eines bewegten Objekts zu erhalten, sind mindestens drei GPS-Satelliten erforderlich.

Die mathematischen Berechnungen, die auf diesem Prinzip beruhen, nutzen die elektromagnetischen Radiowellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Kommerziell betrachtet zeichnen GPS-Geräte üblicherweise die Position eines Objekts auf, während es sich von einem Punkt zum anderen bewegt. Ein GPS-Tracker hat grundsätzlich zweierlei Funktionen: Die erste Funktion ist die Speicherung der aufgezeichneten Daten auf dem Gerät selbst (passive Ortung), die zweite Funktion ist das regelmäßige Senden der aufgezeichneten Daten über ein am GPS-Gerät angebrachtes Modem an ein zentrales System (aktive Ortung).

Verschiedene Arten des Globalen Positionsbestimmungssystems

Passives Globales Positionsbestimmungssystem

Das passive Globale Positionsbestimmungssystem überwacht den Standort des fahrenden Fahrzeugs auf der Grundlage bestimmter Fahrtenereignisse. Passive GPS-Peilsender zeichnen zum Beispiel die Orte auf, die das Fahrzeug in den vorigen sechs oder mehr Stunden passiert hat. Die Informationen des passiven GPS werden auf dem internen Speicher oder auf einer externen Vorrichtung wie einer Speicherkarte gespeichert. Die gespeicherten Informationen werden später zur Analyse auf einen Computer übertragen. Gelegentlich werden gespeicherte Daten automatisch über das Internet gesendet und an einem bestimmten Punkt heruntergeladen oder während der Fahrt abgefragt.

Grafischer Vergleich zwischen aktivem (Live-Tracking) und passivem GPS

Aktives Globales Positionsbestimmungssystem

Aktives GPS (Live-Tracking) sendet über den GPS-Sender während der Fahrt automatisch Informationen an ein zentrales Ortungssystem. Im Vergleich zum passiven GPS ist das aktive GPS die bessere Wahl für kommerzielle Zwecke. Beispielsweise wird an jedem Fahrzeug ein GPS-fähiger Fahrzeug-Peilsender installiert, um Tracking-Informationen zu sammeln und über ein Satelliten- oder Mobilfunknetz zu übertragen.

Bei der aktiven GPS-Ortung werden die zellularen Netzwerke mit dem Ortungsgerät kombiniert, das sich an bewegenden Fahrzeugen (z. B. einem Auto oder Fahrrad) befindet, um die Informationen an einen bestimmten Server zu übertragen. Wenn das zellulare Netzwerk nicht verfügbar ist, speichert der GPS-Sender die Daten im internen Speicher und überträgt sie an den Server, sobald das zellulare Netzwerk wieder verfügbar ist. Echtzeit-Tracking-Anwendungen sind zu Sicherheitszwecken vor allem für Fahrzeuge (Autos, Fahrräder usw.) unerlässlich; beispielsweise können GPS-Sender für Autos jederzeit den genauen Standort ihres Fahrzeugs bestimmen, wenn es gestohlen wird.

Mit dem aktiven GPS können Objekte in Echtzeit getrackt werden.

Der PowUnity BikeTrax GPS-Tracker gehört kategorisch also dem aktiven GPS-Tracking an, der es dem Besitzer ermöglicht, sein E-Bike in Echtzeit zu verfolgen und zu orten – von überall aus und zu jeder Zeit. Nach der Anmeldung in der App kann der Kunde sein E-Bike auf einer Karte und jede gefahrene Route im Fahrtenbuch sehen. Das Fahrtenbuch ist eine automatische Funktion in der App. Jeder persönliche Standort wird gespeichert und alle zehn Sekunden an das Mobiltelefon gesendet. Zusätzlich ist das GPS-Ortungs-Gerät auch ein Diebstahlschutz. Bei unbefugter Bewegung des E-Bikes sendet der GPS-Tracker eine SMS und einen Bewegungsalarm an die App. Der PowUnity Kunde kann die GPS-Daten und die bereitgestellten Features im Monats- oder Jahresabonnement nutzen. Laufende Kosten im Monats-Abo: 3,95 Euro; im Jahres-Abo: 39,50 Euro.

Mini GPS-Tracker

„Mini GPS-Tracker“ ist ein populärer Begriff für das aktive Globale Positionsbestimmungssystem. Mini GPS-Tracker werden häufig eingesetzt, wenn es um Sicherheitsanwendungen geht, beispielsweise bei der Überwachung von Personen, Kindern oder Haustieren, oder wenn Fahrzeuge wie en LKW, Auto oder Fahrrad vor Diebstahl geschützt werden sollen. Bei älteren GPS-Tracker Modellen wurden die Positionskoordinaten per SMS übermittelt. Allerdings ist das nicht mehr zeitgemäß. Moderne Mini GPS-Tracker kommunizieren mit dem Nutzer über eine Smartphone App.

GPS-Tracker für Personen und Tiere

Ein Mini GPS-Tracker für Personen, Kinder oder Tiere sollte von der Größe handlich, vom Gewicht leicht und vor allem unauffällig sein, da er getragen werden muss. GPS-Tracker, die üblicherweise am Halsband von (Haus-)Tieren befestigt werden, sollten außerdem wasserdicht sein, wenn die Haustiere viel Zeit im Freien verbringen. Ein bekannter Hersteller ist „Tractive“. Tractive ist ein GPS-Tracker für Hund und Katze. Er ist wasserdicht und unauffällig. Zu den wichtigsten Funktionen oder Features des Trackers zählt der „virtuelle Zaun“ (Geo-Fence): Der Besitzer bekommt eine Benachrichtigung, wenn das Haustier einen definierten Bereich verlässt (z. B. Garten).

Fahrzeug-Tracker

Ein Mini GPS-Tracker ist auch eine ideale Anti-Diebstahl-Vorrichtung zur Fahrzeug-Verfolgung. Mit einer SIM-Karte und leichtgewichtiger Elektronik ausgestattet, sollte der GPS-Tracker höchstens etwa sieben bis acht Zentimeter groß sein. Bei einem LKW beispielsweise können Mini-GPS-Tracker sogar in den Rückleuchten angebracht werden. Wird ein Mini GPS-Tracker in Fahrzeuge integriert, nimmt die Wahrscheinlichkeit ab, dass der Peilsender überhaupt entdeckt wird.

„Crowd GPS“-Ortung basiert nicht auf GPS-Satelliten und ist daher nicht als Diebstahlschutz geeignet. Mehr lesen!

Aber es kommt nicht nur auf die Größe an, es zählen auch andere Funktionen. Eines der wichtigsten Qualitätsmerkmale ist die Akkulaufzeit eines Trackers. Je kleiner der GPS-Tracker, desto kleiner die Batterie, desto kürzer die Akkulaufzeit. Wenn der GPS-Tracker nicht an eine Stromquelle angeschlossen ist, hält er wenige Stunden bis Tage und so muss die Batterie wieder geladen werden. Im Vergleich dazu verhält es sich bei Mini GPS-Trackern ganz anders, die in Autos oder E-Bikes integriert sind und direkt von der Haupt-Batterie versorgt werden. Der PowUnity BikeTrax GPS-Tracker zum Beispiel wird in den Motorraum von E-Bikes fest verbaut. Die Akkulaufzeit des BikeTrax beträgt im Standby-Betrieb etwa drei Wochen. Um einen ununterbrochenen Empfang zu gewährleisten, ist der GPS-Tracker auch mit einem Zusatz-Akku ausgestattet, falls er nicht vom E-Bike-Akku versorgt wird.

Grafische Vergleichsdarstellung von Mini GPS-Tracker und Bluetooth-Ortungschips

Der Begriff Mini GPS-Tracker wird gerne, wenngleich fälschlicherweise, auch für kleine münzgroße „Allround Finder“, sog. Bluetooth-Ortungschips, verwendet. Die Bezeichnung ihrer Technologie, das sogenannte Crowd GPS, ist für den Kunden irreführend, da diese Allround Finder nichts mit dem NAVSTAR GPS zu tun haben. Im Gegensatz zu einem echten Mini-Tracker sind sie weder mit einer SIM-Karte zur Datenübertragung an die Handy-App ausgestattet, noch ermitteln mindestens drei Satelliten den (2D-)Standort des Fahrzeugs.

Das Zusammenwirken von GPS-Trackern und Smartphones

Tracker-Apps, die man aus dem Apple Store oder von Google Play (iOS, Android) herunterladen kann, stellen eine Verbindung zwischen einem GPS-Sender und dem Smartphone her. Der GPS-Tracker kommuniziert nicht direkt mit dem Mobiltelefon des Besitzers, sondern sendet die Daten an einen zwischengeschalteten Server. Dieser Server leitet die Daten an die GPS-App auf dem Mobiltelefon weiter. Somit besteht eine effektive Interaktion zwischen dem Benutzer und seinem GPS-Tracker. Der an Fahrzeugen wie Autos oder E-Bikes angebrachte Sender hilft dem Besitzer des dazugehörigen Mobiltelefons mit der Tracking-App die genaue Position seines Fahrzeugs zu ermitteln oder die Route nachzuverfolgen, falls er in einen Unfall verwickelt oder das Fahrzeug gestohlen wird.

2G ist derzeit am besten für die Fahrzeugverfolgung geeignet, da es über eine große Netzabdeckung verfügt. Mehr lesen!

Das GPS-Signal wird über Mobilfunkstandards verschiedener Generationen wie 2G, 3G, 4G (zweite, dritte und vierte Generation) etc. an das Smartphone übertragen. GPRS und LTE sind die Bezeichnungen für die Datenübertragung innerhalb dieser Generationen. GPRS ist die Datenübertragung innerhalb des 2G-Standards und LTE steht für die Datenübertragung innerhalb des 4G-Standards.

Grafische Vegleichs-Tabelle der Mobilfunkstandards wie 2G, 3G, 4G und Narrowband-IoT
*2G ist derzeit (Stand April 2021) am besten für das Tracking von Fahrzeugen geeignet, da es im Gegensatz zu Narrowband-IoT eine größere Netzabdeckung hat.

Den 2G-Standard gibt es bereits seit den 1990er Jahren. Dieser Standard verfügt über eine sehr hohe Netzdichte und ist momentan die geeignetste Technologie, um Fahrzeuge, wie E-Bikes vor Diebstahl zu schützen. Im Gegensatz zu 2G ist die Narrowband-IoT Technologie noch nicht flächendeckend ausgebaut. Sie kann insbesondere in ländlichen Gebieten Funklöcher aufweisen.

Die PowUnity App beispielsweise stellt die GPS-Sender-Daten für den E-Biker in Echtzeit zur Verfügung. Die Übertragung zum Mobiltelefon erfolgt in diesem Fall über den 2G-Standard, was derzeit die beste Lösung für die Ortung von E-Bikes und damit auch für den digitalen Diebstahlschutz von E-Bikes ist. Der GPS-Sender ist im E-Bike-Inneren versteckt. In ihm ist eine SIM-Karte integriert. Ein Zusatz-Akku des Trackers sorgt dafür, dass der GPS-Tracker auch dann noch empfängt und im Ernstfall einen Alarm sendet, wenn die Stromversorgung (z.B. durch den E-Bike-Akku) ausgeschaltet oder entfernt wird.

Zusammenfassung

GPS-Tracking basiert auf der Bereitstellung präziser Informationen über die genaue Position eines Fahrzeugs oder einer Person. Die Informationen werden über eine Internetverbindung via Mobilfunk, Wi-Fi oder Funkfrequenzen übertragen. Das Globale Positionsbestimmungssystem ist ein weltweites Funknavigationssystem, das derzeit von rund 24 Satelliten und deren Bodenstationen gestützt wird. GPS-Tracker sind in der Lage, frühere (passiv) und Echtzeit-Navigationsinformationen (aktiv) über eine Fahrt zu liefern. Ein Mini GPS-Tracker ist ein aktives Globales Positionsbestimmungssystem (Echtzeit-GPS-Tracking). Sein bester Anwendungsbereich ist beispielsweise die Ortung von Personen oder Tieren, sowie der Diebstahlschutz von Fahrzeugen wie LKWs, PKWs, Fahrrädern oder E-Bikes. Die Größe eines GPS-Trackers bestimmt seine Akku-Laufzeit.

Tracking Apps stellen eine Verbindung zwischen einem Tracking-Gerät und der SIM-Karte eines Mobiltelefons her. Im Falle von BikeTrax sendet der GPS-Tracker bei unerlaubter Bewegung des E-Bikes einen Bewegungsalarm an die PowUnity App. Der Tracker kommuniziert dabei aber mit dem Mobiltelefon indirekt über einen zwischengeschalteten Server.

Der Standort eines Fahrzeugs, einer Person oder eines Objekts wird über Mobilfunkstandards verschiedener Generationen wie 2G, 3G, 4G oder Narrowband IoT an das Smartphone übertragen. Zurzeit ist der 2G-Standard die geeignetste Technologie, um E-Bikes vor Diebstahl zu schützen, denn die 2G-Technologie ist stabil und umfassend.

Mit GPS-Tracking-Apps sind wir in der Lage, den genauen Standort von Fahrzeugen, Geräten und Co. jederzeit per Smartphone abzufragen.

Der Hauptvorteil der GPS-Sender besteht darin, dass Vermögenswerte damit besser gesichert werden können und entsprechende Gemütsruhe verschaffen. Darüber hinaus können Unternehmen die GPS-Ortung nutzen, um Prozesse zu optimieren, wenn eine größere Anzahl von GPS-Geräten überwacht werden muss. Der Hauptnachteil eines GPS-Trackers ist, dass sie auf Daten von mindestens drei Satelliten (für eine 2D Position) und vier Satelliten (für eine 3D Position) angewiesen sind; wenn sie mit weniger Satelliten verbunden sind, kann die Ortung weniger genau ausfallen und Echtzeit-Verfolgung ist nicht möglich. Ein Tracker, der die Position eines fahrenden Fahrzeugs nicht mithilfe von mindestens drei Satelliten bestimmt und eine integrierte SIM-Karte hat, sollte nicht als GPS-Gerät bezeichnet werden.

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