GPS, WLAN oder Mobilfunkmasten: Wie dein Handy wirklich weiß, wo es ist

Was macht GPS eigentlich?

GPS, genauer GNSS, denn ein modernes Handy spricht auch mit russischen, europäischen und chinesischen Satellitensystemen, funktioniert über die Laufzeit von Funksignalen, die Satelliten in rund 20.000 Kilometern Höhe aussenden. Jeder Satellit sendet ständig die genaue Zeit, zu der er ein Signal abgeschickt hat. Dein Handy vergleicht das mit der Empfangszeit und errechnet aus der winzigen Differenz, wie weit dieser Satellit entfernt ist. Macht es das mit vier oder mehr Satelliten gleichzeitig, kann es seine Position dreidimensional auf wenige Meter genau triangulieren.

Der Haken: Das funktioniert sauber nur mit einigermaßen freiem Blick zum Himmel. GPS-Signale sind nach der Reise von der Umlaufbahn schwach und durchdringen weder Beton noch Stahl noch viel Wasser. Draußen im Freien ist GPS wirklich hervorragend, oft auf drei bis fünf Meter genau. Drinnen, unter der Erde oder in einer engen Straße mit hohen Häusern kommt das Signal entweder gar nicht durch oder prallt zuerst an Gebäuden ab, kommt verspätet an und verfälscht die Zeitmessung. Das ist der „Häuserschlucht“-Effekt, ein echtes Limit, kein Konstruktionsfehler.

Wie funktioniert WLAN-Positionierung, ohne sich mit einem Netzwerk zu verbinden?

Das überrascht viele: Dein Handy muss keinem WLAN-Netzwerk beitreten, um es für die Standortbestimmung zu nutzen. Es muss nur den Namen und die Signalstärke des Netzwerks sehen. Unternehmen wie Apple und Google pflegen riesige Datenbanken, die den physischen Standort von WLAN-Zugangspunkten festhalten, aufgebaut aus jahrelangen anonymen Meldungen von Handys darüber, welche Netzwerke sie sehen und wo GPS sie zu diesem Zeitpunkt verortet hat. Sieht dein Handy beim Scannen drei oder vier bekannt wirkende Zugangspunkte, kann es die Kombination mit dieser Datenbank abgleichen und die Position schätzen, oft auf zehn bis zwanzig Meter genau, manchmal noch enger.

Das macht Standortbestimmung drinnen überhaupt erst möglich, denn GPS versagt meist, sobald man ein Gebäude betritt. Es ist zugleich die häufigste Quelle eines selbstsicher falschen Punkts, aus einem einfachen Grund: Diese Datenbanken veralten. Ein umgezogener Router, ein Nachbar mit einem neuen Gerät und demselben Werksnamen, oder ein Zugangspunkt, der einmal vor Jahren erfasst und nie aktualisiert wurde, all das kann die Schätzung deines Handys in Richtung der falschen Adresse ziehen, manchmal um einen ganzen Straßenblock.

Was tragen Mobilfunkmasten bei?

Mobilfunk-Triangulation ist die älteste und gröbste der drei Methoden. Jedes mit einem Mobilfunknetz verbundene Handy ist in Reichweite mindestens eines Mastes, meist mehrerer. Über den Vergleich von Signalstärke und Laufzeit zwischen mehreren nahen Masten kann das Netz eine Position schätzen, aber der Abstand zwischen Masten schwankt stark, von wenigen hundert Metern in der Stadt bis zu vielen Kilometern auf dem Land, weshalb die Genauigkeit von wenigen hundert Metern bis zu mehreren Kilometern reicht.

Mobilfunk-Triangulation ist die letzte Rückfalllösung: Sie funktioniert fast überall mit Empfang, auch in Tiefgaragen und Kellern, wo sowohl GPS als auch WLAN-Positionierung ganz ausfallen können, und sie verbraucht kaum Akku, weil das Handy ohnehin mit Masten kommuniziert, um zu telefonieren und Daten zu nutzen. Deshalb kann ein Handy noch einen groben Standort zeigen, einen Stadtteil, keine Straße, selbst dort, wo die anderen beiden Methoden nicht hinreichen.

Wie schneiden die Methoden im direkten Vergleich ab?

In dieser Tabelle ist keine Zeile „die genaue“ und die anderen „die ungenauen“, jede erledigt die Aufgabe, die die anderen nicht erreichen. Genau deshalb verlassen sich Handys nicht auf nur eine Methode.

Was bedeutet „fusionierter Standort“ eigentlich?

Moderne Handys wählen nicht eine Methode und bleiben dabei. Sie führen einen Prozess aus, meist fusionierte oder hybride Standortbestimmung genannt, der laufend die verfügbaren Signale mischt, gewichtet danach, wie zuverlässig jedes gerade wirkt. Beim Gehen auf der Straße dominiert vielleicht GPS. Beim Betreten eines Einkaufszentrums verlässt sich das Handy stärker auf WLAN, während GPS aussetzt. In einer Tiefgarage stützt es sich fast vollständig auf Mobilfunkmasten und, falls vorhanden, auf Bewegungssensoren, die aus der letzten bekannten Position weiterschätzen.

Dieser Wechsel ist meist unsichtbar und funktioniert meist gut, erklärt aber eine bestimmte Art von Fehler: einen Punkt, der plötzlich springt, wenn das Handy von einem dominanten Signal zum anderen wechselt, kurz einen unmöglichen Standort zeigt, bevor er sich einpendelt. Dieser Sprung ist die Fusionsberechnung, die ihre Gewichtung neu justiert, kein Trackingfehler im Sinne einer falschen Beobachtung.

Was sagt der Genauigkeitskreis wirklich aus?

Die meisten Familienkarten-Apps zeigen einen Punkt umgeben von einem blassen Kreis. Dieser Kreis ist keine Dekoration, sondern eine angegebene Fehlermarge, meist im Sinne von „das Handy geht davon aus, sich irgendwo innerhalb dieses Kreises zu befinden, am wahrscheinlichsten nahe der Mitte“. Ein enger, kleiner Kreis bedeutet, dass das Handy ein starkes GPS-Signal mit aktuellen, verlässlichen WLAN-Daten kombiniert. Ein weiter Kreis über mehrere hundert Meter ist ein ehrliches Eingeständnis, dass das Handy gerade nur mit Mobilfunkmasten arbeitet, drinnen ist oder schwachen Empfang hat.

Warum unterscheidet sich der Akkuverbrauch so stark?

GPS ist von den dreien am stromhungrigsten, weil das Empfangsmodul aktiv nach schwachen Satellitensignalen lauschen muss, oft mehrere Sekunden am Stück für eine erste Positionsbestimmung. WLAN- und Mobilfunk-basierte Positionierung sind deutlich günstiger, da das Handy ohnehin ständig nach Netzwerken scannt oder mit Masten spricht, um die normale Verbindung aufrechtzuerhalten. Genau deshalb saugen Apps, die dauerhaft „präzisen“ Standort anfragen, statt nur bei Bedarf, sichtbar am Akku, ein Thema, das Warum Standortfreigabe den Akku belastet genauer behandelt. Eine gut gebaute Familien-Standort-App weicht bewusst auf WLAN- oder Mobilfunk-Schätzungen aus, wenn kein enger GPS-Fix nötig ist, und gibt den GPS-Akkukosten nur dann aus, wenn Genauigkeit wirklich zählt, bei Ankunft, beim Verlassen eines Geofences, oder bei einer aktiven Prüfung.

Ein Standortsystem, das ehrlich mit seiner Unsicherheit umgeht, ist vertrauenswürdiger als eines, das immer selbstsicher wirkt.