Satellitengestützte Funknavigation

1982 wurde erstmals die bis dahin den Militärs vorbehaltene Satellitennavigation der Allgemeinheit zugänglich gemacht. Inzwischen gibt es eine Reihe von Systemen, die für die zivile Nutzung entwickelt wurden.
Mithilfe des Global Positioning System (GPS), eines spezielle Satellitennavigationssystems, lassen sich rund um die Uhr an jedem Punkt der Welt und bei jedem Wetter Angaben über eine genaue dreidimensionale Position (Länge, Breite, Höhe) sowie Geschwindigkeit und Zeit machen.

Geschichte und Entwicklung
Entwickelt und aufgebaut wurde das Global Positioning System (GPS) vom US-amerikanischen Verteidigungsministerium, das es 1973 als Navigationshilfe einführte. Dazu wurden Anfang der siebziger Jahre des 20. Jahrhundert eine Reihe von Satelliten in den Orbit gebracht und in den darauffolgenden Jahren das System weiter ausgebaut. Heute besteht es aus 24 Satelliten, die auf 6 unterschiedlichen Bahnen mit je vier Satelliten verteilt sind. Die Bahnen sind so gewählt, dass sich die Satelliten in ca. 20.000 km Höhe über der Erdoberfläche in 12 Stunden einmal um die Erde bewegen. Bezogen auf die Äquatorebene sind die Satellitenbahnen um 55° gegen diese Ebene geneigt und um jeweils 60° längs des Äquators gegeneinander versetzt. Damit können von jedem Punkt der Erdoberfläche aus ständig Daten von mindestens vier Satelliten empfangen werden.

Hauptleitstelle für das GPS ist der Luftwaffenstützpunkt Falcon in Colorado Springs (Colorado, USA). Überwachungsstationen sind auf Hawaii, auf der Insel Ascension im Atlantik, in Diego Garcia im Indischen Ozean und auf der Insel Kwajalein im Südpazifik. Dort vorgenommene Messungen ermöglichen die Berechnung der genauen zu erwartenden Umlaufbahnen der Satelliten. Diese Vorhersagedaten, die wiederum über Satellit in die Empfangsgeräte gesendet werden, sind Voraussetzung für die Positionsbestimmung.

1982 erfolgte die Freigabe dieses ursprünglich rein militärischen Systems für die zivile Nutzung. Aufgrund zahlreicher Vorteile für die Navigation gewann GPS nach seiner Freigabe für ein breites Spektrum von Anwendern an Attraktivität, zumal es schon mit kleinen, kostengünstigen Geräten genutzt werden kann. Zum 1. Mai 2000 wurde eine weitere, bislang militärisch genutzte Version für die zivile Nutzung freigegeben, die eine weitere Erhöhung der Genauigkeit ermöglichte.

Funktionsweise des GPS
Das Prinzip der Satellitennavigation basiert auf der Messung von Laufzeitunterschieden der Signale, die von den Satelliten ausgesendet werden. Grundlage für die Berechnung der Laufzeiten ist die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Nur weil diese gegeben ist, funktioniert das System. Relativbewegungen der Satelliten untereinander und zur Erde brauchen nicht berücksichtigt zu werden.
Zur Messung der Laufzeit sind genaue Uhren erforderlich. Die Satelliten verfügen über mehrere Atomuhren, die entsprechenden Empfänger auf der Erde, die man als GPS-Empfänger bezeichnet, sind mit weniger genauen Quarzuhren ausgestattet. Von den Satelliten werden neben der Uhrzeit eine größere Anzahl weiterer codierter Daten mitgesendet. Alle 24 Satelliten senden diese Daten nach jeder Millisekunde mit einer Frequenz von 1,6 GHz. Das entspricht einer Wellenlänge von 19 cm.
Mit einem GPS-Empfänger werden die Daten verschiedener Satelliten auf der Erde empfangen. Aus der errechneten Entfernung des Satelliten ergibt sich um den auf der Erdoberfläche liegenden Lotpunkt (Bild 2) ein Standkreis (im Bild 2 farbig markiert). Alle Punkte dieses Kreises haben den gleichen Abstand vom Sender, es sind damit auch Punkte gleichen Abstandes zwischen Satellit und Empfänger. Aus dem Standort des Satelliten und den Schnittpunkten mit Standkreisen weiterer Satelliten (Bild 2) wird der Standort des Empfängers ermittelt. Dazu sind die Signale von drei Satelliten erforderlich. Das Signal des vierten Satelliten liefert das genaue Zeitsignal, mit der der Empfänger eine einfache Quarzuhr synchronisiert.

Bei der Positionsbestimmung müssen verschiedene relativistische Effekte berücksichtigt werden, beispielsweise der Einfluss der Gravitation auf den Gang von Uhren. Verrechnet sich der Empfänger nur um eine millionstel Sekunde, so ergibt sich bei einer Ausbreitung der Funksignale mit einer Geschwindigkeit von etwa 300.000 km/s bereits ein Fehler von 300 m.
Das von den USA aufgebaute System ermöglicht im militärischen Bereich Genauigkeiten bis zu 1 m. Für den zivilen Bereich wurde diese Genauigkeit reduziert und bewegt sich gegenwärtig im Bereich von 10 m bis 100 m. Für spezielle Anwendungen ist die Genauigkeit inzwischen bis auf den Zentimeterbereich vergrößert worden.

Nutzung des GPS
Für satellitengestützte Navigation gibt es zahlreiche Anwendungen. Noch bevor sich alle Satelliten in ihren Umlaufbahnen befanden, wurde die Satellitennavigation bereits für die Landvermessung eingesetzt, um tage- oder wochenlange Arbeitszeit mit Standardmessmethoden zu sparen. Satellitennavigation wird heutzutage in Flugzeugen und Schiffen für die Streckennavigation und bei der Annäherung an Flugplätze bzw. Häfen genutzt. Satellitennavigationssysteme überwachen Transporte auf dem Land, in der Luft und auf dem Wasser sowie Notfallfahrzeuge, um eine optimale Streckenführung zu vermitteln. Satellitennavigation steht außerdem für Autofahrer und Wanderer zur Orts- und Routenbestimmung zur Verfügung.

Militärisch wurde und wird die Satellitennavigation in Flugzeugen, Hubschraubern, Schiffen, U-Booten, Panzern, Jeeps und in den Kampfausrüstungen der Soldaten verwendet. Zusätzlich ist die Satellitennavigation eine Navigationshilfe für die Zielortung in Raketen und wird bei sogenannten "intelligenten" Bomben zur Treffpunktbestimmung eingesetzt. Satellitennavigation befindet sich außerdem auch an Bord von Raumfähren.

Weitere Entwicklungen
In Planung ist ein globales Navigationssystem (GNSS). Der erste Schritt beim Aufbau eines zivilen GNSS-Dienstes ist die Inbetriebnahme von GNSS-1 (der europäische Beitrag zu GNSS-1 ist EGNOS - European Geostationary Navigation Overlay Service). GNSS-1 soll geostationäre Satelliten und ein Netzwerk von Bodenstationen benutzen, um die Genauigkeit, Verfügbarkeit, Integrität und Kontinuität der Ortung, welche gegenwärtig durch GPS alleine angeboten wird, zu verbessern.

In Planung für den Zeitraum 2003 bis 2008 ist das europäische System GALILEO, das wiederum eine höhere Genauigkeit bringen soll. Die verschiedenen Systeme sollen dann zusammenwirken. GALILEO ist eine Initiative der Europäischen Union (EU) und der Europäischen Raumfahrt-Agentur (ESA), die die Planung, die Entwicklung, den Aufbau und die Inbetriebnahme eines globalen Satelliten-Navigationssystems der zweiten Generation (GNSS-2) umfasst. GALILEO wird unter ziviler Kontrolle sein und durch öffentliche und private Gelder finanziert.