In 80 Millisekunden um die Welt

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1 In 80 Millisekunden um die Welt Wie funktionieren eigentlich Satellitenortung und Navigation? Hans Parthey, Diplom-Ingenieur der Nachrichtentechnologie, bringt Licht ins Dunkel. Globale Navigations Satelliten Systeme GNSS sind dreidimensionale Ortungssysteme, die eine hochpräzise Positionsbestimmung in Echtzeit gewährleisten. Zusätzlich liefert GPS die Höhe über dem Meeresspiegel, die Geschwindigkeit und die Richtung zu geographisch Nord. Dem Nutzer stehen unterschiedliche Ein- und Mehrkanalempfänger zur Verfügung, je nachdem, ob es sich um einen Wanderer, ein Schiff, Auto, Flugzeug oder eine Rakete handelt, die unterschiedliche Ortungsgeschwindigkeiten erfordern. "SAT-Navigation" setzt Ortung voraus und wird vom Computer realisiert. Auch automatische Steuerungen, Landungen und Fernlenkverfahren realisiert der Computer, nicht der Satellit. Deshalb ist der Begriff Satellitensteuerung falsch! Derzeit sind das amerikanische GPS-NAVSTAR und das russische GLONASS in Betrieb. Beide unterscheiden sich in einigen Details (Tabelle). Das europäische GALILEO ist zurzeit mit Satelliten in Erprobung und basiert auf den Erfahrungen von GPS und GLONASS. Die allgemeinen Erläuterungen beziehen sich auf das GPS-NAVSTAR und werden im Weiteren als GPS bezeichnet. In Zukunft könnten alle herkömmlichen Navigationssysteme in der Luft- und Seefahrt abgeschafft werden, wie es bei den Hyperbelsystemen OMEGA und LORAN-C schon der Fall ist, oder nur noch als Backup dienen, wie beispielsweise bei VOR, DME, ILS und NDB. Auch Instrumentenlandungen werden in weiterentwickelten Differentialsystemen (D-GPS, D-GLONASS) möglich, wobei eine exakt vermessene Referenzstation ausreicht, um alle Flugzeuge im Umkreis von ca. 30 km auf verschiedenen Flugplätzen landen zu lassen. Die unterschiedlichen Anflugprofile sind dabei im Navigations-Computer der Flugzeuge gespeichert (Bild 1). Bild 1 Auch Schiffe nutzen Differentialsysteme für Hafeneinfahrten. Physikalische Grundlage des Verfahrens ist die Entfernungsmessung zu mehreren Satelliten durch Laufzeitmessung nach der Einwegmethode. Der Satellit sendet, der Nutzer im Auto, Flugzeug oder Schiff empfängt.

2 Ortungstechnisch handelt es sich um ein Kreisverfahren, bei dem sich der Satellit im Mittelpunkt und der Empfänger auf der Kugelstandfläche befinden. Der Radius entspricht der Entfernung. Eine Messung zu zwei Satelliten wäre zweideutig, da zwei Kreise zwei Schnittpunkte ergeben. Zur eindeutigen Positionsbestimmung sind deshalb mindestens drei Messungen zu drei Satelliten erforderlich, zusätzlich eine vierte Messung zur Bestimmung der bestehenden Uhrzeitabweichung. Die Satelliten bewegen sich relativ zur Erde in ca km Höhe mit etwa 12 h Umlaufzeit auf drei, bzw. 6, kreisförmigen MEO-Bahnen (Bild 2 zeigt die Umlaufbahnen der NAVSTAR Satelliten). Bild 3 Bild 2 Die Projektion auf die Erdoberfläche entspricht etwa einer Sinuskurve, die durch die Erdrotation eine Spurverschiebung nach Westen erfährt (Bild 3). Die Bahnneigung am Äquator (Inklination) beträgt 55 bei GPS, 56 bei GALILEO und 64,8 bei GLONASS (Bild 4). Die Abstrahlung der Funksignale erfolgt durch rechtszirkulare Polarisation, wodurch Signale eliminiert werden können, die durch Reflexion auf Linksdrehung um ca. 20 db gedämpft werden und später am Empfänger eintreffen (Zeitselektion). Jeder Satellit strahlt zwei unterschiedliche Hauptfrequenzen (ca. 1,6 und 1,2 GHz) ab, um Ausbreitungsanomalien in der Ionosphäre mathematisch eliminieren zu können. Die Identifizierung der Satelliten erfolgt durch unterschiedliche Codes bei GPS und GALILEO (CDMA) oder unterschiedlichen Frequenzen bei GLONASS (FDMA). Aufgrund der Flughöhe und der Bahnkonstellation geht man von einem sicheren Empfang bei Erhebungswinkeln größer als 10 Grad aus, wodurch maximal neun Satelliten empfangen werden können.

3 Im Folgenden wird ein kurzer Vergleich von GLONASS und GALILEO zu NAVSTAR angestellt. GLONASS Das System GLONASS wird seit 1993 vom russischen Verteidigungsministerium betrieben und arbeitet mit sehr hoher Genauigkeit. Alle Satelliten benutzen den gleichen Code, aber 15(x2) unterschiedliche Frequenzen (FDMA). Dafür können von dreißig Satelliten jeweils zwei, die sich auf der gegenüberliegenden Seite der Erde nicht 'sehen', die gleiche Frequenz benutzen. Die GLONASS-M-Satelliten werden von der ESA für Testzwecke für das GALILEO System mitgenutzt. Die GLONASS-Satelliten sind mit Laserreflektoren ausgestattet, wodurch eine hochgenaue Bahnvermessung möglich ist (auch durch DLR Neustrehlitz). Da GLONASS von Beginn an ohne künstliche Verschlechterung gearbeitet hat, wurden mit Hilfe des P-Codes Genauigkeiten von +/- 10m erreicht. Die bereits ausgelaufene Erweiterung zu Differential-GLONASS dient in der Luftfahrt für Landeanflüge und wird außerdem in der küstennahen Schifffahrt benutzt. Durch das Differential-System werden Genauigkeiten von bis zu +/- 1m erreicht. Die Vorteile des GLONASS sind: Bild 4 Um eine exakte Zeitmessung zu gewährleisten, muss der Empfänger 'wissen', wann das Signal gesendet wurde und welche Position der Satellit im Sendemoment hatte. Diese Information bringt das Signal als Code mit. Der genaue Zeitbezug wird durch Atomfrequenznormale 1 (Atomuhren) realisiert. 1 Freie Atome von Rubidium bzw. Cäsium geben beim Übergang von Energieniveau E 2 nach E 1 (bei E 2 >E 1 ) elektromagnetische Strahlung ab. Der 'Zeitverlust' von einer Sekunde tritt bei Rb nach 3*10 4 Jahren und bei Cs nach 3*10 5 Jahren auf. - Eine bessere Ortung in Polnähe, da der Inklinationswinkel mit 64,8 größer ist als bei NAVSTAR oder GALILEO. - Eine hohe Störsicherheit, da 2x15 Frequenzen benutzt werden. - Wie Computermodelle zeigen, bieten die 3 SAT-Bahnen mit je 8-10 Satelliten eine bessere Konstellationsverfügbarkeit als andere Systeme. Ein Nachteil des GLONASS Systeme ist, dass die Empfänger aufgrund der zweimal 15 Frequenzen etwas aufwändiger konstruiert sein müssen.

4 GALILEO GALILEO ist das geplante europäische zivile Ortungssystem, das keiner militärischen Kontrolle unterliegt und die Erfahrungen von GPS und GLONASS nutzen kann. Nach den ersten beiden Testsatelliten GIOVE-A und B, die im Mai 2005 und April 2008 in Baikonur gestartet wurden, sind jetzt auch die ersten vier Galileo-Satelliten IOV 1 bis 4 im Orbit, so dass erste exakte Positionsbestimmungen getestet werden können. Die beiden ersten wurden am und der dritte und vierte am jeweils im Paar mit Sojus-Fregat-Raketen vom Weltraumbahnhof Kourou von der neuen Startplattform (5 NB) ins All geschossen. Vorteil: In der Nähe des Äquators ist die Umlaufgeschwindigkeit der Erde mit ca km/h wesentlich höher ist als in Baikonur, welches auf 46 Grad nördlicher Breite liegt. Dadurch wird Energie gespart. Fünfzehn Galileo-Satelliten sollen in Zukunft mit Transpondern des sowjetischamerikanischen Rettungssystems KOSPAS-SARSAT versehen werden. Zivilluftfahrt: 121,5 MHz +/- 12 km Militärflieger: 243 MHz +/- 8 km Perspektive: 406 MHz +/- 2 km GALILEO soll 2020 mit 30 Satelliten voll einsatzbereit sein. Abkürzungen GNSS Global Navigation Satellite System UTC Universal Time Coordinated GPS Global Positioning System NAVSTAR NAVigation System using Timing And Ranging GLONASS GLObal Navigation Satellite System C/A-Code Coarse, Clear / Acquisition, Access P-Code Precision oder Protection Code SA Selective Availability CDMA Code Division Multiple Access FDMA Frequency Division Multiple Access BPSK Binary Phase Shift Keying MEO Medium Earth Orbit LORAN LOng RAnge Navigation VOR VHF Omnidirectional Range (UKW-Drehfunkfeuer) DME Distance Measuring Equipment (Entfernungs-Messeinrichtung) ILS Instrument Landing System NDB Non-Directional Beacon (ungerichtetes Funkfeuer) KOSPAS SARSAT KOSmitscheski Poisk Awarini Sistem Search And Rescue SATellite system

5 NAVSTAR GLONASS GALILEO Erprobung / volle Funktion 1980 / / / 2020 Satelliten + Reserve Umlaufbahnen / Sat-Abstand 6 / / / Bahnhöhe / Umlaufzeit 20200km/11h58min 19100km/11h16min 23200km/14h Bahnneigung 55 64,8 (Flugbahn in Polnähe) 56 Grundtaktfrequenz 1,023MHz 0,551MHz Codetaktfrequenz 10,23MHz 5,11MHz Sendefrequenzen L1: 1575,42MHz L2: 1227,60MHz L5: 1176,45MHz G1: 1596, ,25MHz (15x2) G2: 1246 MHz E1: 1575,42MHz E5a: 1176,45 MHz E5b: 1207,14MHz E6: 1278,75 MHz Modulation / Signalselektion BPSK / CDMA BPSK / FDMA BPSK / CDMA Horizontale Genauigkeit C/A Code m P-Code 8-60m DGPS 1m C/A Code 100m P-Code 10-25m DGLONASS 1m Vertikale Genauigkeit 20m 40m Vorteile Weltweite Verbreitung Relativ einfache Empfänger Bessere Ortung in Polnähe Höhere Störsicherheit Hohe Verfügbarkeit Höchste Genauigkeit Kompatibel zu GPS Hohe Verfügbarkeit Nachteile Geringe Polüberdeckung Geringe Störsicherheit Aufwändige Empfänger Geringe Sat-Lebensdauer Geringe Polüberdeckung Geringe Störsicherheit