Laufen / Lese-Tipps

Laufen, Biken und GPS

Das Thema „Fitness-Tracker“ ist ja gerade für uns Läufer oft eine ordentliche Herausforderung – vor allem, wenn es um das Vermessen der Laufstrecken geht. Die eine App zeigt Dir 10 Kilometer, die andere nur 9,8 Kilometer, eine nächste sogar schon 10,2 davon. Der Garmin findet mal gar kein Signal, mal sofort – mal pausiert die App automatisch, obwohl Du läufst. Was hat es damit nur auf sich?

Wie der Zufall es will, ist ein guter Freund von mir nicht nur selber Läufer und Mountainbiker, sondern auch noch Nachrichtentechniker – und arbeitet mit solchen GPS-Systemen. Ich hab ihn mir geschnappt und einfach mal dazu interviewt – und dabei einige echt spannende Dinge erfahren. Das Interview ist zwar etwas länger, aber absolut lesenswert.

Fangen wir also an…

gps-tracking

Christian, warum kann meine App so oft direkt ein GPS-Signal empfangen, wenn mein Garmin noch minutenlang sucht?

Um die Frage zu beantworten, muss man zunächst erklären, wie GPS im Grunde funktioniert. Um die Erde verteilt gibt es 24 GPS Satelliten, diese befinden sich jedoch nicht in einer geostationären Umlaufbahn, wie wir es von den Satelliten für Sattelitenfernsehen her kennen, sondern die GPS Satelliten ändern ständig ihre Position.

Die Positionsbestimmung auf der Erde basiert im Grunde auf einer Laufzeitmessung, wie lange das Signal eines jeden Satelliten vom Ursprung zum Empfänger benötigt, daraus kann dann die Entfernung zum Satelliten berechnet werden. Ist die Position eines jeden Satelliten bekannt und bildet man den Schnittpunkt der Entfernungen, kann daraus die Position auf der Erdoberfläche berechnet werden. Knackpunkt ist die genaue Position, bzw. die Bahndaten der Satelliten, die dem Empfänger bekannt sein müssen. Diese Daten werden aber von den Satelliten selbst gesendet, der Empfänger benötigt aber einige Zeit, bis alle Daten empfangen sind und die Positionsbestimmung erfolgen kann. Das ist genau die Zeit, die der Garmin nach dem Einschalten benötigt, wenn er längere Zeit ausgeschaltet war.

An diesem Punkt gibt es verschiedene Ansätze, um die Zeit bis zur ersten gültigen Positionsbestimmung zu verringern. Ein Verfahren setzt auf die so genannten Almanach Daten, im Grunde Bahndaten, die weniger genau, aber dafür länger gültig sind. Diese Daten werden auch von den Satelliten gesendet, können aber auch über eine Mobilfunkverbindung abgerufen werden. Ist eine gute Startposition der Satelliten bereits bekannt, kann eine Positionsbestimmung viel schneller erfolgen. QuickGPSFix, von TomTom setzt beispielsweise auf dieses Verfahren.

Ein weiteres Verfahren, das bei Smartphones zum Einsatz kommen kann, ist die Verwendung anderer Positionsdaten, bis GPS zur Verfügung steht, z.B. über Dreieckspeilung der GSM Sendemasten oder öffentliche WLAN-Zellen, deren Position bekannt ist. Diese beiden Verfahren sind natürlich ungenauer als GPS, ermöglichen aber eine schnelle Positionsbestimmung. Übrigens, um Aussetzer des GPS Signals bei bereits bestimmter Position zu überbrücken, setzten manche Hersteller auch auf Trägheitsnavigation. Hierbei werden MEMS Beschleunigungsmesser und MEMS Kreisel, beide auf Siliziumtechnologie, genutzt. In den meisten modernen Smartphones sind mehrere solcher Sensoren verbaut. Diese detektieren die Bewegungen des Geräts im Raum, somit kann bei bekanntem Startpunkt die aktuelle Position bestimmt werden.

Macht es wirklich einen Unterschied, ob ich mit iPhone oder Android-Telefon unterwegs bin? Wie wichtig ist die Qualität des Empfangsgerätes, zum Beispiel auch bei einer Lauf-Uhr?

Die Qualität des Empfängers ist entscheidend für die Positionsbestimmung. Und hier hat sich in den vergangenen Jahren doch etliches getan. So kann man feststellen, dass z.B. das neuere iPhone 5 unter schlechten Bedingungen wesentlich bessere Positionsdaten liefert als das etwas ältere iPhone 3GS. Entscheidend ist hier also die Elektronik und weniger das Betriebssystem.

Warum können schon beim Laufen oder Biken im Wald Probleme beim Tracking entstehen – die paar Blätter können doch nicht so schlimm sein?

Leider doch. Das GPS Signal eines jeden Satelliten muss ja auf die komplette Erdhalbkugel abgestrahlt werden. Die dafür nötige Energie wird aus der Sonnenstrahlung mittels Solarzellen gewonnen, die wiederum auch nur eine begrenzte Fläche haben, somit ist die zur Verfügung stehende Sendeleistung begrenzt. Die Signalstärke am Empfänger liegt sogar deutlich unterhalb des atmosphärischen Grundrauschens und kann nur mit Hilfe geeigneter Algorithmen aufbereitet werden. Das hierbei verwendete Verfahren zur Übertragung wird Code Division Multiplex genannt und basiert auf Korrelation.

Somit kann also ein Blätterdach im Wald das Signal schon signifikant stören. Ein weiteres Problem ist die sogenannte Mehrwegeausbreitung. Das heißt, dass ein Signal nicht direkt vom Satelliten zum Empfänger läuft, sondern an Flächen zuvor reflektiert wird. Dieses reflektierte Signal überlagert das direkte Signal und erzeugt zusätzliche Störungen.

Kann das Wetter Einfluss auf die Datenqualität haben?

Ja, im Grunde dämpft schlechtes Wetter das Signal ähnlich wie ein Blätterdach, nur nicht so extrem.

Manchmal laufe ich exakt die gleiche Strecke und am Ende kommt ein Unterschied von ein paar hundert Metern dabei raus. Woran liegt das?

Das zivile GPS hat eine Genauigkeit besser 10m. Hierbei spielt unter anderem auch die Position der Satelliten eine Rolle. Wird die Position mit mindestens 4 Satelliten aus unterschiedlichen Himmelsrichtungen bestimmt, ist die Position genauer, als wenn die Satelliten in der gleichen Richtung liegen. Dazu kommt, dass die Höhenbestimmung durch GPS, im Vergleich zur Position, doch recht ungenau ist. Hier setzen viele Hersteller auf Kartendienste, d.h. die aktuelle Position wird an einen Server geschickt und der liefert die zugehörige Höhe in Echtzeit zurück. Hierbei wird allerdings eine bestehende Mobilfunkverbindung benötigt. Beim Tracking werden Positionsdaten in bestimmten zeitlichem Abständen gespeichert. Die Strecke ergibt sich als Differenz dieser Punkte. Da die Bestimmung der Position aber nur auf ca. 10m genau erfolgen kann, ist auch die gemessene Strecke entsprechend ungenau.

Kannst Du uns zum Schluss noch ein paar Tipps geben, worauf man besonders achten sollte, wenn man einen GPS-Tracker kauft oder eine App nutzen will?

Generell ist bei vorhandenem Smartphone die App Lösung meist die günstigere. Die Schnittstelle zwischen App und Betriebssystem für den Austausch der Positionsdaten ist definiert. D.h., dass die Apps beim Smartphone schon die Position als Kombination von GSM, WLAN und GPS erhalten. Auch der Abruf der Almanach Daten über Mobilfunk kann bei der App Lösung die Zeit bis zur gültigen Positionsbestimmung erheblich verringern.

Auch die Position der „Antenne“, bzw. des gesamten Geräts spielt für die Qualität der Aufzeichnung eine große Rolle. Hierbei hat sich die Oberarmtasche mehr bewährt, als ein Bauchgurt, da der menschliche Körper das Signal natürlich auch abschirmt. Leider stellt die Akkulaufzeit bei den aktuellen Smartphones ein Problem für längere Sportsessions dar, nach Möglichkeit, z.B. auf dem Bike, kann hier ein Zusatzakku wertvolle Dienste leisten. Beim Laufen ist dieser eher hinderlich, da das Gewicht von ca. 60-80g zusätzlich getragen werden muss und der Akku über ein Kabel am Smartphone angeschlossen sein muss.

Hier sind reine GPS Tracker im Vorteil, da der eingebaute Akku, je nach Aufzeichnungsintervall, die Laufzeit eines Smartphoneakkus um ein Vielfaches übertrifft. Ich selbst setzte aber lieber auf die Smartphonelösung, da die aufgezeichneten Daten hiermit sofort weiterverarbeitet werden können, z.B. zur Speicherung in Communitys wie runtastic.

DANKE an Christian!

PS: Zufällig heute gefunden – eine nette Seite über GPS-Uhren im Test. Passt ganz gut an dieser Stelle.


Erstellt am 13. März 2014, aktualisiert am 18. August 2016

End-Dreißiger, mäßig talentierter Läufer (nicht schnell, dafür aber wirklich leidenschaftlich) und jederzeit gern auch auf zwei Rädern unterwegs. Vegetarier mit veganen Tendenzen, liebt den Schwarzwald, läuft durch Berlin.

2 Kommentare bei “Laufen, Biken und GPS

  1. Hey das war ja mal sehr aufschlussreich, vor allem das mit den Abweichungen plus, minus 200m und wie so ein GPS überhaupt funktioniert. Ich selbst nutze runtastic und keine GPS Uhr.
    Danke dir dafür!
    LG, Jamie

    1. Japp, ich fand es auch sehr spannend – und ich nutze sogar beides, runtastic und GPS-Uhr. So gehe ich auf Nummer sicher und ich hab die perfekte Dauer-Überwachung meiner Pace 😉

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