Globales Positionierungssystem: eine neue Chance für die Messung körperlicher Aktivität
Eine genaue Messung der körperlichen Aktivität ist eine Voraussetzung für die Überwachung des Aktivitätsniveaus der Bevölkerung und die Entwicklung wirksamer Maßnahmen. Die Technologie des Global Positioning System (GPS) bietet das Potenzial, die Messung der körperlichen Aktivität zu verbessern. Dieser Artikel gibt 1) einen Überblick über die vorhandene Literatur zur Anwendung von GPS zur Überwachung menschlicher Bewegung, mit besonderem Schwerpunkt auf körperlicher Aktivität im Freien, 2) erörtert Probleme im Zusammenhang mit der GPS-Nutzung und 3) gibt Empfehlungen für zukünftige Forschung. Die Ergebnisse zeigen, dass GPS ein nützliches Instrument ist, um unser Verständnis von körperlicher Aktivität zu erweitern, da es den Kontext (Standort) der Aktivität liefert und in Verbindung mit geografischen Informationssystemen einen gewissen Einblick in die Interaktion von Menschen mit ihrer Umwelt geben kann. Allerdings haben keine Studien gezeigt, dass GPS allein ein zuverlässiges und gültiges Maß für körperliche Aktivität ist.
Hintergrund
Die Prävalenz der körperlichen Inaktivität (keine oder nur sehr geringe körperliche Betätigung am Arbeitsplatz, zu Hause, im Verkehr oder in der Freizeit) wird weltweit auf 17 % geschätzt, während die Schätzung für ein unzureichendes Maß an körperlicher Betätigung (< 150 Minuten moderate oder < 60 Minuten intensive Bewegung pro Woche) bei 40 % liegt. Bewegungsmangel wird mit einem erhöhten Risiko für ischämische Herzkrankheiten, Typ-2-Diabetes, Dickdarmkrebs, Depressionen und Brustkrebs in Verbindung gebracht. Eine genaue Messung der körperlichen Aktivität ist eine Voraussetzung für die Überwachung des Niveaus der körperlichen Aktivität und die Entwicklung wirksamer Maßnahmen.
Ein großes Manko der bisherigen Bewegungsforschung ist der Mangel an objektiven, praktischen und kostengünstigen Instrumenten zur Messung der körperlichen Aktivität und des Energieverbrauchs in großem Maßstab. Gegenwärtig gilt doppelt markiertes Wasser (DLW) als “Goldstandard” für die Bestimmung des Gesamtenergieverbrauchs, doch seine Nützlichkeit für eine breit angelegte bevölkerungsbasierte Forschung wird durch die Belastung der Teilnehmer und die hohen Kosten eingeschränkt. Methoden wie die direkte Beobachtung sind zeitaufwendig und in großem Maßstab nicht praktikabel. Sekundäre Messinstrumente wie Herzfrequenzmesser (die Aufschluss über die Trainingsintensität geben), Beschleunigungsmesser (die die Anzahl der Bewegungen anzeigen) und Schrittzähler liefern zwar eine objektive Bewertung der körperlichen Aktivität, aber keine Informationen über den Kontext der Aktivität wie Ort, zurückgelegte Strecke und Geschwindigkeit.
Ein neues und potenziell wertvolles Instrument zur Verbesserung der Bewertung der körperlichen Aktivität ist das Global Positioning System (GPS). Ein besseres Verständnis der Art der körperlichen Aktivität (oder Inaktivität) ist unerlässlich, wenn wir wirksame Maßnahmen entwickeln und umsetzen wollen. Die Technologie des Global Positioning System (GPS) hat das Potenzial, unser Verständnis von körperlicher Aktivität durch die Bereitstellung von Standortinformationen zu verbessern. Forscher haben damit begonnen, die GPS-Technologie in Studien zur körperlichen Aktivität zu integrieren. Da die Technologie jedoch relativ neu ist, gibt es derzeit nur eine Handvoll solcher Forschungsstudien. Ziel dieses Artikels ist es, einen Überblick über die Literatur zur Anwendung von GPS zur Überwachung der menschlichen Bewegung zu geben, wobei der Schwerpunkt auf der körperlichen Aktivität im Freien liegt. Im Einzelnen wird zunächst GPS beschrieben, es wird untersucht, wie es zur Bewertung menschlicher Bewegung eingesetzt wurde, und es werden Empfehlungen für die künftige Forschung gegeben.
Was ist GPS?
Das Global Positioning System (GPS) ist derzeit das einzige voll funktionsfähige globale Satellitennavigationssystem (GNSS). Vierundzwanzig GPS-Satelliten umkreisen derzeit die Erde und senden Signale an GPS-Empfänger, die den Standort, die Richtung und die Geschwindigkeit des Empfängers bestimmen. Seit dem Start des ersten Versuchssatelliten im Jahr 1978 hat sich das GPS zu einem unverzichtbaren Instrument für die Navigation und zu einem wichtigen Hilfsmittel für die Landvermessung und Kartografie entwickelt. GPS liefert auch eine präzise Zeitreferenz, die in vielen Anwendungen wie der wissenschaftlichen Erforschung von Erdbeben und der Synchronisierung von Telekommunikationsnetzen eingesetzt wird.
GPS wurde ursprünglich vom Verteidigungsministerium der Vereinigten Staaten (USA) entwickelt. Aufgrund seiner militärischen Anwendung wandte das US-Verteidigungsministerium den selektiven Fehler an, einen absichtlichen Fehler, der in das System eingebettet ist, um das Risiko zu verringern, dass feindliche Kräfte das hochpräzise System nutzen. Im Jahr 2000 gab der damalige Präsident Clinton bekannt, dass er das US-Militär angewiesen hatte, die Verschlüsselung der Signale des GPS-Satellitennetzes (Global Position System) einzustellen, so dass die Daten auch für zivile GPS-Besitzer zugänglich wurden.
Die Position eines GPS-Empfängers wird berechnet, indem die Entfernung zwischen ihm und drei oder mehr GPS-Satelliten gemessen wird. Jeder Satellit ist mit einer Atomuhr ausgestattet. Beim ersten Einschalten durchlaufen die GPS-Geräte eine Initialisierungsphase, in der sie Signale von den Satelliten erfassen und die GPS-Uhr mit der Atomuhr des Satelliten synchronisieren. GPS-Geräte empfangen und analysieren ständig Funksignale von den Satelliten und berechnen die genaue Entfernung (Reichweite) zu jedem georteten Satelliten. GPS-Geräte verwenden Trilateration, eine mathematische Technik, um die Position, Geschwindigkeit und Höhe des Benutzers zu bestimmen.
GPS wird heute in einer Vielzahl von kommerziellen und Forschungsanwendungen eingesetzt, z. B. in den Bereichen Umweltexposition, Landwirtschaft, Ökologie, Fahrbewertung, Schätzung der Reisezeit und seit kurzem auch in der Sportwissenschaft. Technologische Verbesserungen haben zu tragbaren GPS-Geräten geführt, die über einen ausreichenden Speicher verfügen, um Positionsdaten über einen längeren Zeitraum zu speichern, und somit die Möglichkeit bieten, Standortinformationen zu geringen Kosten zu erhalten. Trotz der verbesserten Tragbarkeit ist GPS nicht uneingeschränkt nutzbar. GPS-Geräte können ihre Position in Innenräumen (insbesondere in Betongebäuden), unter dichten Baumkronen und in dichten städtischen Gebieten oft nicht aufzeichnen.
Bevor das Satellitensignal den GPS-Empfänger erreicht, wird es durch eine Vielzahl von Quellen wie atmosphärische Bedingungen und lokale Hindernisse beeinflusst, was zu Fehlern in der berechneten Entfernung zum Satelliten und damit auch in der berechneten Geschwindigkeit und Position führen kann. Um diesen Fehler zu beheben, wurde das Differential-GPS (dGPS) eingesetzt, bei dem stationäre Empfänger an bekannten Standorten am Boden platziert werden, um ihre festen Positionen mit der von den Satelliten angegebenen Position zu vergleichen. Mit Hilfe von Funkwellen werden die korrigierten Signale von den stationären Empfängern über einen Differentialempfänger an den GPS-Empfänger gesendet.
GPS-Geräte benötigen beim ersten Einschalten eine Initialisierungsphase, in der das GPS das Signal von den Satelliten empfängt, um Positionsdaten zu erhalten. Die Initialisierungszeit variiert je nach GPS-Marke und -Modell, kann aber zwischen 15 Sekunden und fünf Minuten betragen.