Positionsbestimmung

Das Global Positioning System besteht aus 21 aktiven sowie drei Reservesatelliten, die in einer Höhe von 20 183 km die Erde alle 12 Stunden umkreisen. Die Umlaufbahnen bilden sechs Orbitalebenen, die ausgehend von der Äquatorebene in einem Winkel von 55° zueinander stehen. Jeder Satellit sendet einen eigenen Code zur Identifizierung sowie eine hochgenaue Uhrzeit (abgeleitet von Cäsium- und Rubidium-Frequenznormalen) und seine exakte Position.
Das Ortungsverfahren der Satellitennavigation beruht nun auf der Entfernungsbestimmung durch Messung der Laufzeit von Signalen zwischen dem Empfänger und mehreren Satelliten (mindestens vier), deren Position genau bekannt ist.
Beim Einsatz von GPS bei der Landvermessung wurden bis vor kurzem die Daten im Feld erfasst und anschließend mittels spezieller Software ausgewertet (sogenannte Offline- oder Post-processing-Verfahren). Neue Entwicklungen in diesem Bereich ermöglichen nun den Einsatz von Echtzeitverfahren, bei denen die gesuchte Position direkt bestimmbar ist. Voraussetzung ist ein Kommunikations-Link zwischen GPS-Referenzstation und Notebook beziehungsweise Empfänger. Im Falle von Codemessungen (Navigation) spricht man von Differenzial GPS (DGPS), bei Trägerphasenmessungen vom sogenannten RTK-Verfahren (Real Time Kinematic).

Geschichte und Entwicklung

Betrieben und unterhalten wird das Navstar Global Positioning System (GPS) vom US-amerikanischen Verteidigungsministerium, das es 1973 als Navigationshilfe einführte. Aufgrund zahlreicher Vorteile für die Navigation gewann GPS nach seiner Freigabe 1982 für ein breites Spektrum von Anwendern an Attraktivität, zumal es schon mit kleinen, kostengünstigen Geräten genutzt werden kann. Zum 01.05.2000 ist eine weitere, bislang militärisch genutzte Version für die zivile Nutzung freigegeben worden, die eine Erhöhung der Genauigkeit ermöglicht.
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 durch GPS und GLONASS alleine angeboten wird, zu verbessern. GNSS-1 hat das Ziel, als Navigationssystem bei sicherheitsrelevanten Anwendungen eingesetzt zu werden. EGNOS soll zusammen mit anderen SBAS (Satellite Based Augmentation Systems) wie das amerikanische WAAS und das japanische MTSAS arbeiten, damit ein weltweit nahtloser Betrieb von GNSS-1 möglich ist.
In Planung für den Zeitraum 2003 bis 2008 ist das europäische System GALILEO, das wiederum eine höhere Genauigkeit bringen soll. Diese Systeme sollen dann zusammenwirken. GALILEO ist eine Initiative der Europäischen Union (EU) und der Europäischen Raumfahrt Agentur (ESA), welche 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 es wird durch öffentliche und private Gelder finanziert.

Fähigkeiten und Möglichkeiten

Eine Satellitennavigation gibt es in zwei Versionen: als Standarddienst (SPS: Standard Positioning Service) mit einer auf 100 m genauen Positionsangabe und als Präzisionsdienst (PPS: Precise Positioning Service) mit einer Genauigkeit bis auf 20 m. Eine vom Militär genutzte Ausführung ist zusätzlich gegen Störungen und Störsignale geschützt.
Verbesserte Techniken wie das differenzielle GPS (DGPS) und der Einsatz von Trägerfrequenzen ermöglichen Positionsangaben unterhalb von drei Metern für DGPS-Anwender. In der Landvermessung werden inzwischen Werte von einem Zentimeter und weniger erreicht. SPS, DGPS und Trägertechniken sind allen Anwendern zugänglich.

Die Arbeitsweise der Satellitennavigation

Die Satelliten sind mit äußerst präzisen Chronometern (Atomuhren) ausgestattet und strahlen die Zeitinformation in Form von Codes aus, sodass ein Empfänger ständig den Sendezeitpunkt des Signals bestimmen kann. Es enthält Daten, die im Empfänger für die exakte Positionsberechnung verarbeitet werden. So wird die Differenz zwischen dem Zeitpunkt des Empfangs und der Absendezeit des Signals verwendet, um die Entfernung zum Satelliten zu berechnen. Dabei berücksichtigt das Empfangsgerät automatisch Verzögerungen durch die Ionosphäre und die Troposphäre.
Mithilfe der Entfernung zu drei Satelliten und ihrer Position zum Sendezeitpunkt berechnet der Empfänger seine Position nach geografischer Breite, Länge und Höhe. Dazu muss das Empfangsgerät wie der Satellit ebenfalls mit einer Atomuhr ausgerüstet sein. Ist das GPS-Gerät jedoch in der Lage, die Signale von vier Satelliten zu verarbeiten, kann eine Atomuhr entfallen.

Die Komponenten und Anwendungen der Satellitennavigation

Beispiel GPS: Delta-Raketen transportieren die GPS-Satelliten von Cape Canaveral in Florida (USA) auf eine Umlaufbahn in
17 440 km Höhe, wo sie die Erde in zwölf Stunden umrunden. Die Bahnen sind um 55° gegenüber dem Äquator geneigt, damit sie in den Polregionen ebenfalls empfangen können. Da sie durch Solarzellen mit Energie versorgt werden, drehen sich die Satelliten ständig so, dass diese in Richtung Sonne weisen, während die Antennen in Richtung Erde zeigen. Jeder Satellit enthält vier Atomuhren.
Hauptleitstelle für den 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.
Militärisch wurde und wird die Raketen-Satellitennavigation in Flugzeugen, Hubschraubern, Schiffen, U-Booten, Panzern, Jeeps und – wie im Golfkrieg – in den Kampfausrüstungen der Soldaten verwendet. Zusätzlich ist das 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.

Die zivile Nutzung der Satellitennavigation ist breit. Noch bevor sich alle Satelliten vollständig in ihren Umlaufbahnen befanden, setzten Landvermesser bereits die Satellitennavigation ein, um tage- oder wochenlange Arbeitszeit mit Standardmessmethoden zu sparen. Satellitennavigation wird heutzutage in Flugzeugen und Schiffen für die Streckennavigation und bei der Annäherung an Flugplatz bzw. Hafen 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.