Navigationssatelliten: Die neuen Leitsterne

Navigationssatelliten: Die neuen Leitsterne

 

Präzise den Standort bestimmen und zuverlässig ein gewünschtes Ziel erreichen zu können, das ist die Aufgabe der Navigation. Über einen intuitiven Orientierungssinn verfügen die meisten Menschen, der jedoch in offenem Gelände (Wüste) oder gar auf hoher See schnell an Grenzen stößt. Daher war es in früheren Zeiten eine bewunderte Fähigkeit besonders begabter Menschen, anhand des Laufs der Gestirne Schiffe zu fernen Ländern und unbekannten Kontinenten zu führen. Heute ist dank moderner technischer Hilfsmittel die Navigation eine Routineaufgabe geworden; doch immer mehr erweist sie sich als entscheidend für einen sicheren und wirtschaftlichen Betrieb von See-, Luft- und Landfahrzeugen unterschiedlichster Art und Zweckbestimmung. Vielfältige Navigationshilfen und Instrumente zur Ortsbestimmung sind ersonnen worden. Waren in der Frühzeit der Entdeckungsgeschichte der Erde und der maritimen Handelsbeziehungen der Völker noch astronomische Kenntnisse und genaue Naturbeobachtung einziges Hilfsmittel des Navigators, so konnten später, mit dem Aufkommen von Naturwissenschaft und Technik, drei Schlüsselerfindungen die Fähigkeit zu navigieren wesentlich verbessern: der magnetische Kompass, der Sextant und die seetaugliche Schiffsuhr (oder Chronometer).

 

Infrastrukturen, welche eigens zum Zweck besserer Orientierung auf See errichtet wurden, beispielsweise Leuchtfeuer, später Leuchttürme, für die Schifffahrt an markanten Küstenpunkten, sind schon aus der Antike überliefert. Mit dem Zweiten Weltkrieg wurden Funkfeuer populär — Radiosender, die spezielle Signale für Navigationszwecke ausstrahlen. Der Nutzer solcher Systeme kann bei Empfang der Signale mehrerer Stationen mittels Peilung seinen Standort festlegen. Bald schon wurden Netze von terrestrischen Funkfeuern zu unentbehrlichen Hilfsmitteln eines weltumspannenden Verkehrs zur See und in der Luft.

 

Solche Systeme weisen allerdings einige funktechnische und betriebliche Nachteile auf, die ihre Genauigkeit oder Reichweite begrenzen. So ist die Ausbreitung von Radiosignalen hoher Frequenz (also Kurzwellen) durch den Sichthorizont begrenzt und durch topographische Gegebenheiten, also beispielsweise Gebirge, behindert; mit Langwellen, die diesen Beschränkungen nicht unterliegen, kann man jedoch nicht die für die meisten Anwendungen nötige Genauigkeit erzielen. Ein Netz von erdgebundenen Stationen müsste sehr dicht sein, um den Einschränkungen zu entgehen, und wäre, wenn überhaupt, nur mit hohem Aufwand zu errichten und zu betreiben. Die Lösung dieses Dilemmas liegt darin, den Standort der Sender auf Satelliten im Erdorbit zu verlagern. Es zeigt sich, dass man so den gesamten Globus ständig und lückenlos mit Navigationssignalen versorgen kann und dass ein System umlaufender Satelliten dies technisch effizienter und insgesamt auch wirtschaftlicher zu leisten vermag als ein äquivalentes Netz von erdgebundenen Stationen.

 

 GPS

 

Dieser Erkenntnis folgend, begann das US-amerikanische Verteidigungsministerium bereits sehr früh, Mittel in die Entwicklung der notwendigen Technologien und der Satelliten zu investieren. Das erste, schon 1964 teilweise einsatzbereite System mit der Bezeichnung »Transit« wurde hauptsächlich von Schiffen der US-Marine zur Positionsbestimmung auf hoher See verwendet. Das System — sechs Satelliten auf polaren Bahnen in etwa 1000 Kilometer Höhe — beruht auf der Messung der scheinbaren Frequenzverschiebung im Radiosignal eines Satelliten beim Überflug (Doppler- Effekt). In Verbindung mit der Kenntnis der genauen Bahndaten, die mit dem Satellitensignal übertragen wurden, gelingt es einem mit den notwendigen Empfangsgeräten ausgerüsteten Schiff oder Flugzeug, seine Position zu berechnen.

 

Das Nachfolgesystem, dessen Aufbau 1978 begonnen und erst 1993 abgeschlossen wurde, trägt den Namen »NAVSTAR Global Positioning System« (abgekürzt GPS); es umfasst eine erweiterte Konstellation von Satelliten im Orbit, ein geändertes Signalformat und ein gänzlich anderes Messprinzip zur Positionsbestimmung. Mit dem neuen Verfahren sind nun wesentlich genauere Ortsbestimmungen in allen drei Raumdimensionen (geographische Länge und Breite sowie Höhe über Null) möglich — und dies an jedem Ort der Erde und zu jeder Zeit. Des Weiteren lassen sich mithilfe der von den GPS-Satelliten ausgestrahlten Signale äußerst präzise Zeitmessungen vornehmen, sodass ein sich bewegender Nutzer des Systems — beispielsweise ein Flugzeug — durch in rascher Folge wiederholte Orts- und Zeitmessungen auch seine Geschwindigkeit ermitteln kann.

 

Der Umstand, dass das amerikanische Verteidigungsministerium Initiator, Eigner und Betreiber dieses Systems ist, macht deutlich, dass es zunächst und primär für militärische Zwecke — Navigationsaufgaben für die Streitkräfte der USA und ihrer Verbündeten — gedacht gewesen war. Einer breiten Öffentlichkeit wurde das System durch den Golfkrieg 1991 bekannt, wo es als Zielführungssystem für Lenkwaffen, aber auch zur Orientierung der Soldaten in der Wüste diente. Schon seit längerem inoffiziell, seit 1993 auch per amtlicher Regierungsverlautbarung haben die Vereinigten Staaten das System mit gewissen Einschränkungen für die allgemeine Benutzung geöffnet.

 

Inzwischen hat die Zahl der zivilen Nutzer die der militärischen weit überflügelt; und sie wird weiter wachsen — aufgrund von Verbesserungen in der Technologie der Empfänger und, damit korrespondierend, sinkender Preise (einfache Handgeräte sind für weniger als 100 US-Dollar für jedermann erhältlich). Seit Markteinführung der ersten kommerziellen Empfänger im Jahr 1989 nutzen inzwischen weltweit über 100 Millionen Menschen die Dienste des Systems. Für die Zukunft wird ein kommerziell hochinteressanter Massenmarkt für GPS-Empfänger prognostiziert. Schon heute finden sich in vielen Kraftfahrzeugen Navigationssysteme, die mithilfe der Signale der GPS-Satelliten (plus einer digitalen Straßenkarte) den Fahrer an jedes gewünschte Ziel führen. In manchen Zukunftsplanungen für eine integrierte Verkehrssteuerung in vielen Bereichen des See-, Luft- und Landverkehrs nimmt die Satellitennavigation eine Schlüsselrolle ein. Außer der Fahrzeug-Zielführung gibt es noch eine Reihe weiterer nützlicher Anwendungen eines GPS-Empfängers in Kraftfahrzeugen, zum Beispiel bei einem Unfall automatisch ausgelöste Notrufe, die mit Angabe des Unfallorts und der Identität des Fahrzeugs in einer Zentrale einlaufen; die Identifizierung, Lokalisierung und Verfolgung gestohlener Fahrzeuge; das effiziente Management von ganzen Fahrzeugflotten, wie zum Beispiel innerstädtisch der Einsatz der Fahrzeuge von Polizei und Feuerwehr oder überregional die Disposition der Lastkraftwagen von Speditionen.

 

Einschränkungen in der Nutzung von GPS können sich allerdings durch topographische Gegebenheiten des Empfängerstandorts ergeben. So ist beispielsweise für Anwendungen im Straßenverkehr bei ungünstiger geometrischer Konstellation der empfangenen Satelliten (etwa in dem Fall, dass die Satelliten im Moment der Messung nur niedrig über dem Horizont stehen) mit Signalabschattung oder -reflexionen durch Hindernisse (Gebäude, Tunnel, Bäume, Berge etc.) zu rechnen. Als Folge davon ist der Betrieb von GPS-Empfängern stellenweise beeinträchtigt oder gar nicht möglich.

 

Bedeutende Anwendungen der Satellitennavigation finden sich ferner unter anderem in der Geodäsie und Geophysik (hochgenaue Messungen von Bewegungen in der Erdkruste, beispielsweise für die Erdbebenvorhersage), bei der Rohstoffexploration, in der Landwirtschaft (im »precision farming« werden Düngemittel computergesteuert und automatisch ausgebracht, abhängig von der Bodenbeschaffenheit am jeweiligen Standort der Maschine) und bei diversen Freizeitaktivitäten wie Wandern in unbekanntem Gelände oder beim Wassersport.

 

Die vormalige Sowjetunion (und heute die Russische Föderation) hat — ebenfalls von militärischen Erwägungen geleitet — das technisch dem amerikanischen GPS sehr ähnliche System Glonass (»Global Navigation Satellite System«) entwickelt, das, wie GPS, ebenfalls zivilen Nutzern offen steht. Allerdings werden Glonass-Empfänger derzeit noch nicht kommerziell angeboten, und es muss offen bleiben — anders als beim GPS, wo die amerikanische Regierung die kontinuierliche Verfügbarkeit des Dienstes wiederholt garantiert hat —, ob Russland das System für eine längere Zeit betriebsfähig halten kann.

 

 NAVSTAR GPS: Systemcharakteristika und Leistungsmerkmale

 

Das satellitengestützte Funkpositionierungs-, Navigations- und Zeitübertragungssystem NAVSTAR GPS (»Navigation System Using Timing and Ranging, Global Positioning System«), dessen Potenzial gerade beschrieben wurde, umfasst die drei Hauptbestandteile Weltraumsegment, System-Kontrollsegment und Nutzer.

 

Das Weltraumsegment besteht aus 24 Satelliten (einschließlich drei Reserve-Einheiten im Orbit) in sechs verschiedenen, jeweils mit 55 Grad gegen den Äquator geneigten Bahnebenen. Die kreisförmigen Orbits liegen in 20 200 Kilometer Höhe, was einer Umlaufperiode von zwölf Stunden entspricht. Die Konstellation ist so gewählt, dass von jedem Punkt der Erde ständig direkte Sichtverbindung zu mindestens vier Satelliten besteht. Dies ist eine entscheidende Voraussetzung dafür, dass weltweit, rund um die Uhr, unter allen Wetterbedingungen und in Echtzeit Positionsbestimmungen in allen drei Raumdimensionen sowie hochgenaue Zeitbestimmungen und Geschwindigkeitsberechnungen möglich sind.

 

Das Kontrollsegment des GPS-Systems überwacht ständig den »Gesundheitszustand« aller 24 GPS-Satelliten und sorgt insbesondere für die Synchronisation der hochgenauen Atomuhren in allen Satelliten. Dazu dienen vier rund um den Äquator verteilte Bodenstationen auf den Inseln Maui (Ostpazifik), Kwajalein (Westpazifik), Diego Garcia (Indischer Ozean) und Ascension (Atlantik), die mit der Hauptkontrollstation auf einem US-Luftwaffenstützpunkt in Colorado Springs vernetzt sind.

 

Das Nutzersegment besteht aus einer (theoretisch) unbegrenzten Zahl von GPS-Empfängern für Navigationsanwendungen, Zeitsynchronisation und Geschwindigkeitsberechnungen. Für autorisierte Nutzer (das sind in der Regel Angehörige der US-Streitkräfte) ist eine Genauigkeit der Ortsbestimmung von 16 Metern garantiert, der Fehler bei der Geschwindigkeits- und Zeitmessung liegt unter 0,1 Metern pro Sekunde und 0,1 Mikrosekunden. Das US-amerikanische Verteidigungsministerium als Betreiber des Systems behält sich aber vor, für den Fall, dass nationale Sicherheitsinteressen der USA berührt sind, durch absichtlich herbeigeführte Verschlechterung der Signale die erreichbare Positionierungsgenauigkeit für nicht autorisierte (also in der Regel zivile) Nutzer herabzusetzen. Diese Politik wird als »selective availability« (S/A) (etwa: wählbare Verfügbarkeit) bezeichnet. Für alle Nutzer wird ein Fehler von 100 Metern horizontal in 95 Prozent aller Fälle in Aussicht gestellt; eine weitere Fehlerschranke ist mit 300 Metern in 99,99 Prozent aller Fälle spezifiziert. Zurzeit wird innerhalb der US-Regierung aber diskutiert, die Politik der »selective availability« aufzugeben, da sich neue technische Möglichkeiten abzeichnen, im Falle von Krisen oder kriegerischen Konflikten einem Gegner die Nutzung des GPS-Signals zu verwehren.

 

 Das Funktions- und Messprinzip von GPS

 

Jeder Satellit sendet auf zwei Trägerfrequenzen im L-Band (L2: 1227,60 Megahertz, L1: 1575,42 Megahertz) in einem gebündelten Signalstrahl zwei Arten von Signalen in Rich- tung Erdoberfläche: Ein verschlüsseltes Signal, den P/Y-Code (»P« steht für »precision« und »Y« für »encrypted«), das nur militärischen Nutzern in den Streitkräften der USA zur Verfügung steht, sowie — nur auf der L1-Frequenz — für die Allgemeinheit ein unverschlüsseltes Signal (C/A-Code, »C/A« steht für »coarse acquisition«, frei übersetzt etwa: »Grobzugriff«). Jeder Satellit sendet ein für ihn charakteristisches Signal, einen kompliziert aufgebauten digitalen Code.

 

Wesentlicher Bestandteil des Codes ist außer der Identifizierung eine Zeitmarke, die von einer äußerst genau gehenden Atomuhr an Bord der Satelliten erzeugt wird. Mit dem Zeitsignal wird eine Reihe weiterer Informationen übertragen: Informationen über die jeweilige genaue Position der Satelliten; Daten, die eine Korrektur des Fehler ermöglichen, der beim Durchgang der Radiosignale durch die Atmosphäre entsteht (das Signal wird durch Ionosphären- und Troposphärenfehler verfälscht); sowie Angaben über etwaige systematische Gangfehler der Atomuhr im Satelliten und Daten zur Prüfung der Signalintegrität. Durch die Messung des Zeitintervalls zwischen Aussendung und Empfang des Signals (und/oder durch Messung der Phasendifferenz zwischen dem Trägersignal und einem synchronen Vergleichssignal) wird im Empfänger die »Pseudodistanz« zum Satelliten berechnet — das ist einfach die gemessene Signallaufzeit, multipliziert mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen, also der Lichtgeschwindigkeit. Die Pseudodistanz, korrigiert um gewisse Messfehler — die wichtigsten darunter sind die Uhren-, Atmosphären- und Mehrwegefehler —, ergibt die geometrische Schrägentfernung des Standorts zum Satelliten. Um den Standort des Nutzers auf beziehungsweise über der Erde eindeutig bestimmen zu können, ist der Empfang der Signale von mindestens drei Satelliten erforderlich. Entfernungsmessungen zu drei verschiedenen Satelliten genügen, um den Ort in zwei Dimensionen festzulegen; ein vierter Satellit erlaubt, auch die Höhe und die (System-)Zeit zu bestimmen; mit noch mehr empfangenen Satellitensignalen lassen sich bei einer Bewegung auch deren Geschwindigkeit und Richtung berechnen. Die Position wird in einem raumfesten Koordinatensystem ermittelt, dessen Ursprung im Erdmittelpunkt liegt. Da die Erde nicht genau kugelförmig ist, muss man zur Umrechnung in geographische Längen-, Breiten- und Höhenangaben in den GPS-Empfängern ein präzises Modell des Erdellipsoids zugrunde legen, das mittels Daten anderer Satelliten erstellt wird.

 

 Zukünftige Verbesserungen und Anwendungen

 

Nicht zuletzt aufgrund der (militärischen) Anforderungen, nach denen GPS ausgelegt wurde, weist das System eine hohe Zuverlässigkeit (»Systemintegrität«) auf; die Wahrscheinlichkeit, dass das Ortungssignal, etwa aufgrund des (zeitweisen) Ausfalls von Satelliten, einmal nicht zur Verfügung steht, ist gering. Um die ungewollte Verwendung fehlerhafter Satellitensignale zu verhindern, bietet das System zudem die Möglichkeit, die Nutzer mittelfristig (in der Regel in weniger als 90 Minuten) zu benachrichtigen, ob interne Systemstörungen vorliegen. Diese Warnzeit ist allerdings für Anwendungen, welche die Sicherheit und das Wohlergehen von Menschen berühren, bei weitem nicht ausreichend. Gegenwärtig werden Anstrengungen unternommen, durch technische Ergänzungen im Weltraum- und Nutzersegment die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von GPS (und Glonass) so weit zu steigern, dass eine Verwendung auch als primäres Navigationshilfsmittel in dem besonders anspruchsvollen Bereich des zivilen Luftverkehrs möglich wird, beispielsweise als Landehilfe für Präzisionsanflüge auf Flughäfen und Landungen unter schlechten Sichtbedingungen. (Für diese Anwendungen in der Luftfahrt sind Genauigkeiten der Ortsbestimmung von weniger als einem Meter notwendig.)

 

Um sich aus der Abhängigkeit der militärisch kontrollierten Systeme zu lösen, wird darüber hinaus — besonders von der Europäischen Gemeinschaft gefordert und betrieben — der Aufbau eines vollständig unter internationaler ziviler Kontrolle stehenden Nachfolgesystems für GPS und Glonass diskutiert, das aufgrund einer geänderten Signalstruktur und verbesserter Übertragungsverfahren höhere Genauigkeiten der Positionsbestimmung ermöglichen und eine wesentlich größere Systemintegrität aufweisen wird. In den USA hingegen gibt es konkrete Pläne, die Satelliten des derzeitigen GPS Zug um Zug durch verbessere Nachfolgesatelliten zu ersetzen, ohne aber die bewährte GPS-Technologie grundsätzlich aufzugeben. Sie sollen ein drittes Signal auf einer zusätzlichen Sendefrequenz bekommen, das auch zivilen Nutzern offen stehen wird. So sollen Forderungen nach höherer Genauigkeit und Integrität erfüllt werden.

 

Satellitennavigation wird im 21. Jahrhundert eine selbstverständliche Routinefunktion eines sicheren und wirtschaftlichen Verkehrs zu Lande, zur See und in der Luft sein. In Verbindung mit Datenaustausch zwischen Fahrzeugen und Zentrale wird eine die verschiedenen Verkehrsträger übergreifende, integrierte Verkehrssteuerung möglich. Schon heute wird über die Hälfte der Autos in der Luxusklasse mit einem GPS-gestützten Navigationssystem ausgerüstet; es ist eine Frage der Zeit, bis ein GPS-Empfänger auch in den preiswerteren Klassen zur Standardausrüstung von Kraftfahrzeugen gehört — wahrscheinlich kombiniert mit Telefon und Rundfunkempfänger in einem einzigen kompakten Gerät. Satellitennavigation ist, wie schon eingangs erwähnt, gegenüber erdgebundenen Navigationssystemen praktisch konkurrenzlos — eine Schlüsseltechnik für die Mobilitätsgesellschaft von heute und morgen.

 

Prof. Dr. Hans-Joachim Blome und Dr. Jens Fromm

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Satellitenkommunikation: Sendestationen in bevorzugter Lage

 

Literatur:

 

Bachmann, Peter: Handbuch der Satellitennavigation. GPS - global positioning system. Technik, Geräte, Anwendung. Stuttgart 1993.

 Bauer, Manfred: Vermessung und Ortung mit Satelliten. NAVSTAR-GPS und andere satellitengestützte Navigationssysteme. Eine Einführung für die Praxis. Heidelberg ⁴1997.

 Hartl, Philip / Thiel, Karl-Heinz: Satellitengestützte Ortung und Navigation, in: Spektrum der Wissenschaft, 1996, Heft 1.

 Mansfeld, Werner: Satellitenortung und Navigation. Grundlagen und Anwendung globaler Satellitennavigationssysteme. Braunschweig u. a. 1998.