Signale aus dem All - Wie funktioniert die Satellitennavigation

Funktion am Beispiel des amerikanischen GPS-Systems:

Auf 6 kreisförmigen Bahnen in 20.200 km Höhe umkreisen jeweils 4 Satelliten die Erde. Seit Mitte 1995 ist das System offiziell in Betrieb.
Weitere Satelliten umkreisen die Erde in Reserve, so dass diese bei Ausfall eines Satelliten dessen Aufgabe übernehmen können. Satelliten der ersten Generation sind inzwischen außer Betrieb. Weitere Satelliten werden regelmäßig ins All geschossen.
Die Satelliten sind anders als die geostationären Nachrichtensatelliten von der Erde aus gesehen ständig in Bewegung. Jeder Satellit strahlt aktuell seine aktuellen Positionsdaten auf seiner Umlaufbahn und seine genaue Atomuhrzeit aus.

• 24 Satelliten umkreisen die Erde
• 6 kreisförmige Bahnen
• Weitere Satelliten in Reserve
• Satelliten strahlen Zeit- und Positionsdaten aus
• Es sind die Daten von mindestens 4 sichtbaren Satelliten erforderlich
• Empfänger auf der Erde bestimmen daraus die Position auf der Erde
• Eine umfassende Beschreibung gibt es auf Wikipedia. Von dort stammt auch die anschauliche Grafik oben rechts auf dieser Seite.
• GPS auf Wikipedia: Global_Positioning_System

Technische Anforderungen

Das Satellitensignal ist mit 80 Watt Sendeleistung sehr schwach. Es wird möglichst eine direkte Sicht zum Satelliten benötigt. Die neusten GPS-Chips können auch Reflexionssignale auswerten, so dass eine, wenn auch ungenauere Positionsberechnung, in Gebäuden in Fensternähe möglich ist.
Das Satellitensignal wird auf 2 Frequenzen ausgestrahlt, L1 für die militärische und zivile Nutzung und L2 nur für die verschlüsselte militärische Nutzung. Momentan ist eine 3. Fequenz vor allem für die Luftfahrt und für Rettungsdienste im Aufbau.
Das Signal enthält die genaue Kennung jedes einzelnen Satelliten. Es kennzeichnet die Aufgabe und die groben Bahndaten aller Satelliten (Almanach), weiterhin die genaue Position (Bahndaten) des einzelnen Satelliten und die atomgenaue Zeit.
Zur Bestimmung der dreidimensionale Position auf der Erde benötigt der GPS-Empfänger die genaue Zeit, die von einem Satelliten entnommen wird. Aus mindestens 3 weiteren Satelliten-Signalen kann dann die Position auf der Erde aus der Signallaufzeitdifferenz dieser Satelliten, und deren Positionsangaben berechnet werden.
Der GPS-Empfang ist immer dynamisch, d. h. die Empfangssituation und die Position der Satelliten verändern sich (bei GPS um knapp 3,9 km/s) ständig, und damit die Entfernung des Satelliten zu einem bestimmten Punkt auf der Erde.

• Satellitensignale
• Atomgenaue Systemzeit
• Bis zu 4 Atomuhren an Bord
• Genauigkeit 1 sec. in 1 Million Jahre
• Position am Himmel
• Umlaufbahn-Daten (Almanach)
• Eindeutiger Satelliten-Code
• Daten auf der Erde
• Anzahl der Satelliten
• Mind. 3 für trigonometrische Position
• Ein Satellit für die genaue Zeit

Abschätzung der Positionsgenauigkeit auf der Erde

Genauigkeit wird beeinflusst durch

• Zeitfehler Satelliten-Uhr
• Signallaufzeitfehler
• Ionosphäre

Genauigkeit wird verbessert durch

• Anzahl der empfangenen Satelliten
• Signalübertragung auf 2 Frequenzen
• Satellitengestützte Erweiterungssysteme (SBAS)
• Referenzmessungen (DGPS)

Grundgenauigkeit

• Ursprünglich ca. 15 m horizontal
• Neue Sat.-Systeme ca. 8 m horizontal
• mit DGPS 0,01 – 5 m 

Für eine Streckengenauigkeit von drei Metern auf der Erde müssen die Laufzeiten mit einer Genauigkeit von zehn Nanosekunden bestimmt werden. Anstatt den Empfänger aber mit einer entsprechend hochgenauen Atomuhr auszustatten, wird der Fehler der Empfängeruhr von einem Satelliten ermittelt und bei der Positionsberechnung berücksichtigt. Zur Bestimmung der vier Unbekannten (drei Raumkoordinaten und Empfängeruhrenfehler) benötigt man daher vier Satelliten.

Die Atmosphäre verändert die Signallaufzeit. Anders als bei der Troposphäre ist der Einfluss der Ionosphäre frequenzabhängig. Er lässt sich teilweise korrigieren, wenn der Empfänger Signale auswertet, die der Satellit auf unterschiedlichen Frequenzen sendet. Für die meisten zur Zeit im Privatbereich üblichen GPS-Empfänger steht in der Regel nur ein Signal zur Verfügung.
Die Schwankungsbreite der Anzahl der freien Elektronen in der Ionosphäre verursacht einen Ortsfehler von bis zu 30 m. Um diesen auf unter 10 m zu reduzieren, übermitteln die GPS-Satelliten besondere Daten, die den aktuellen Ionosphärenzustand beschreiben.

Positionsgenauigkeit bei unkorrigierten Messwerten:

Die Genauigkeit nimmt zu, wenn mehr als vier Satelliten empfangen werden können. Diese Messung wird dann „überbestimmte Ortung“ genannt.

 

Welche Systeme sind vorhanden oder geplant

USA: Navstar GPS  
Das Global Positioning System (GPS; deutsch Globales Positionsbestimmungssystem), offiziell NAVSTAR GPS, ist ein globales Navigationssatellitensystem zur Positionsbestimmung. Die Bezeichnung ist „Navigational Satellite Timing and Ranging – Global Positioning System“ (NAVSTAR GPS).
Das System wurde seit den 1970er-Jahren vom US-Verteidigungsministerium entwickelt und ist seit Mitte der 1990er Jahre voll funktionsfähig.
Die Bahnhöhe beträgt bei GPS 20.200 km, die Umlaufzeit liegt bei 11:58 Stunden.
Es ermöglicht seit der Abschaltung der künstlichen Signalverschlechterung (Selective Availability) am 2. Mai 2000 auch zivilen Nutzern eine Genauigkeit von oft besser als 10 Metern.

Russland: GLONASS 
Globalnaja nawigazionnaja sputnikowaja sistema)‚ „Globales Satellitennavigationssystem“
Inbetriebnahme 24. Sept. 1993, war zeitweise außer Betrieb, wurde 2011 wieder in Betrieb genommen.
Die große Halbachse der Umlaufbahn beträgt 25.500 km, die Bahnhöhe 19.100 km. Die Umlaufzeit liegt bei 11:15 Stunden. Durch die Bahnneigung in Polregionen wird eine höhere Verfügbarkeit erreicht.
Im Gegensatz zum GPS senden bei GLONASS alle Satelliten mit gleichem Code (Pseudozufallsrauschen, PRN für englisch pseudo-random noise), aber auf unterschiedlichen Frequenzen (FDMA) im Dezimeterwellen-Bereich.

Europa: Galileo ist ein in Aufbau befindliches europäisches globales Satellitennavigations- und Zeitgebungssystem unter ziviler Kontrolle (europäisches GNSS).
Es soll weltweit Daten zur genauen Positionsbestimmung liefern und ähnelt im Aufbau dem US-amerikanischen NAVSTAR-GPS und dem russischen GLONASS-System. Die Systeme unterscheiden sich grundsätzlich teilweise nur durch Frequenznutzungs-/Modulationskonzepte und die Satellitenkonstellation.
Mit Stand Ende 2017 sind 22 der vorgesehenen 30 Satelliten in ihrem Orbit. Die letzten Satelliten sollen 2018 in ihre Umlaufbahn geschossen werden. Das Satellitennavigationssystem ist für die Allgemeinheit seit dem 15. Dezember 2016 zugänglich.
Die Dienste Offener Dienst, Öffentlich-staatlicher Dienst (PRS) und Such- und Rettungsdienst sind mit einer Konstellation von 18 Satelliten am 15. Dezember 2016 in Betrieb gegangen.

China: Beidou (chinesisch Pinyin Běidǒu ‚Großer Bär‘) ist ein chinesisches Satellitennavigationssystem. Die regionale Version des Systems ging Ende Dezember 2011 offiziell in Betrieb. Das globale System befindet sich noch im Aufbau.

Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS, deutsch: Indisches regionales Satellitennavigationssystem) ist ein indisches System zur Satellitennavigation ähnlich den bestehenden Systemen.

Wilhelm Beckmann