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Was ist ein Satellitennavigationssystem? Wie viele gibt es weltweit?
Navigationssysteme wie GPS sind zu einem unverzichtbaren Bestandteil unseres täglichen Lebens geworden. Sie helfen uns, auf unbekannten Straßen zu fahren, das nächste Starbucks zu finden und ermöglichen uns sogar, lustige Spiele auf unserem Smartphone zu spielen. Werfen wir einen Blick darauf, was ein Satellitennavigationssystem ist, wie es funktioniert und welche Anwendungen es hat.
I. Was ist ein Satellitennavigationssystem?
Das Global Positioning System (GPS) ist eines der beliebtesten und weltweit verfügbaren Navigationssysteme, das aus einer Konstellation von Satelliten besteht, die die Erde umkreisen. Ursprünglich für militärische Anwendungen konzipiert, haben Satellitennavigationssysteme seitdem im zivilen Sektor, insbesondere für die Straßen navigation, weite Verbreitung gefunden. Seit über vierzig Jahren sind viele Funktionen in der Luftfahrt, Logistik und Schifffahrt ohne ein hochentwickeltes Navigationssystem wie GPS nicht möglich gewesen.
Die Genauigkeit von Satellitennavigationssystemen hat sich stark verbessert. Frühe Geräte waren auf etwa 100 Meter genau, während aktuelle Geräte eine Genauigkeit von bis zu 1 Meter erreichen können. Russland, die Europäische Union, China und Indien haben alle ihre eigenen Satellitennavigationssysteme entwickelt, mit dem Ziel, diese Technologie zu beherrschen und Autarkie in der Satellitennavigation zu erreichen. Dennoch bleibt GPS eines der am weitesten verbreiteten Navigationssysteme, das von Milliarden von Geräten genutzt wird. GPS-fähige Geräte empfangen nur Signale von Satelliten und senden keine Informationen an Navigationssatelliten.
II. Wie funktionieren Satellitennavigationssysteme?
Satellitennavigationssysteme wie GPS bestehen aus einer Gruppe von Satelliten, die die Erde in einer Höhe von 20.000 Kilometern umkreisen. Jeder Satellit trägt eine hochpräzise Atomuhr und sendet seine Zeitstempel- und Positionsinformationen zur Erde. Zu jedem Zeitpunkt sind die Positionen dieser umlaufenden Satelliten sorgfältig geplant, damit Geräte auf der Erde Signale von drei bis vier Satelliten empfangen können.
Wenn die Ausrüstung Signale von verschiedenen Satelliten empfängt, hat jedes Signal eine geringfügige Zeitdifferenz. Diese Geräte empfangen häufig Signale von drei oder mehr Satelliten und berechnen durch den Vergleich der Entfernungen präzise ihren spezifischen Standort oder ihre Koordinaten.
III. Triangulation
GPS-Satelliten senden kontinuierlich ihre genaue Position und Uhrzeit über Hochfrequenzsignale aus, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Für die Triangulation sind mindestens drei Signale von verschiedenen Satelliten erforderlich, und die Position des Empfängers kann aus dem Schnittpunkt der drei Signalringe berechnet werden, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Der Empfänger verwendet die vom Satelliten empfangene Position und Uhrzeit, um den genauen Standort durch den Vergleich der Verzögerungszeiten der drei Signale zu bestimmen.
IV. Was sind die wichtigsten Satellitennavigationssysteme?
Die Vereinigten Staaten, Russland, die Europäische Union, China, Indien und Japan haben alle unterschiedliche Satellitennavigationssysteme entwickelt. Diese Systeme arbeiten nach weitgehend demselben Prinzip und unterscheiden sich nur in den Frequenzbändern, die zur Übertragung von Uhr- und Positionsinformationen verwendet werden.
1. GPS
Eingeführt vom US-Militär im Jahr 1978 und heute von der US Air Force betrieben, wurde es ursprünglich als militärisches Werkzeug für standortbezogene Operationen konzipiert, hat sich aber seitdem in vielen Anwendungen weit verbreitet.
Nation:
USA
Erscheinungsdatum:
1978
Anzahl der Satelliten:
31
Frequenz:
1575,42 MHz und 1227,60 MHz
Modulationsverfahren
Binary Phase Shift Keying (BPSK)
Satelliten-Orbitalhöhe:
20.180 Kilometer
Abdeckungsbereich:
Weltweit verfügbar
2. GLONASS
GLONASS ist das russische Satellitennavigationssystem, das 1982 von der russischen Föderalen Raumfahrtagentur gestartet wurde. Ursprünglich für die Versorgung Russlands konzipiert, erweiterte GLONASS später seine Abdeckung durch Hinzufügen weiterer Satelliten, die in einer Höhe von 19.100 Kilometern über der Erde operieren. Derzeit sind 28 Satelliten in der Umlaufbahn, davon 24 normal in Betrieb.
Nation:
Russland
Erscheinungsdatum:
1982
Anzahl der Satelliten:
28
Frequenz:
1602 MHz und 1246 MHz
Modulationsverfahren:
Binary Phase Shift Keying (BPSK)
Satelliten-Orbitalhöhe:
19.100 Kilometer
Abdeckungsbereich:
Weltweit verfügbar
3. Galileo
Galileo ist ein Projekt des European Global Navigation Satellite System (GNSS), initiiert von der Europäischen Union. Der erste Satellit wurde 2005 gestartet, und derzeit sind 28 aktive Satelliten in der Umlaufbahn. Die vollständige Konstellation besteht aus 30 Satelliten (24 betriebsbereit + 6 Ersatzsatelliten in der Umlaufbahn), verteilt auf drei mittlere Erdumlaufbahnen (MEO).
Land/Region:
EU
Erscheinungsdatum:
2005
Anzahl der Satelliten:
28
Frequenz:
1575,42 MHz, 1176,42 MHz, 1207,14 MHz und 1278,75 MHz
Modulationsverfahren:
Binary Phase Shift Keying (BPSK), CBOC, BOCcos und AltBOC
Satelliten-Orbitalhöhe:
23.222 Kilometer
Abdeckungsbereich:
Weltweit verfügbar
4. BeiDou
BeiDou ist Chinas Navigationssystem, das aus geostationären und geosynchronen Satelliten besteht. BeiDou-1 wurde 2000 mit drei Satelliten gestartet; das Projekt wurde 2012 eingestellt. Im Jahr 2012 startete das BeiDou-2-System 10 Satelliten, die hauptsächlich China und die umliegenden Gebiete abdeckten. Derzeit sind BeiDou-2 und BeiDou-3 in Betrieb, mit 50 Satelliten in der Umlaufbahn. BeiDou-2 wird schrittweise außer Betrieb genommen, und die Zahl wird nach Anpassungen voraussichtlich von 50 auf 37 sinken.
Nation:
China
Erscheinungsdatum:
2000
Anzahl der Satelliten:
50
Frequenz:
1575,42 MHz, 1191,795 MHz, 1268,52 MHz
Modulationsverfahren:
Binary Phase Shift Keying (BPSK), BOC, MBOC und AltBOC
Satelliten-Orbitalhöhe:
21.528 km und 35.786 km (geostationäre Satelliten)
Abdeckungsbereich:
Weltweit verfügbar
5. IRNSS
IRNSS ist Indiens Version eines Satellitennavigationssystems, das von der Indian Space Research Organisation (ISRO) entwickelt wurde, um hauptsächlich militärische Dienste in Indien und der umliegenden Region zu unterstützen. Das Projekt startete seinen ersten Satelliten im Jahr 2013. Derzeit sind neun Satelliten in der Umlaufbahn, aber nur drei sind tatsächlich betriebsbereit, da die meisten aufgrund von Atomuhrfehlern oder Fehlfunktionen außer Betrieb sind. Die erste Generation startete neun Satelliten, von denen acht erfolgreich in die Umlaufbahn gelangten; die zweite Generation startete zwei, von denen einer erfolgreich in die Umlaufbahn gelangte.
Nation:
Indien
Erscheinungsdatum:
2013
Anzahl der Satelliten:
9
Frequenz:
1576,45 MHz und 2492,028 MHz
Modulationsverfahren:
Binary Phase Shift Keying (BPSK) und BOC
Satelliten-Orbitalhöhe:
36.000 Kilometer
Abdeckungsbereich:
Innerhalb eines Radius von 1500 Kilometern um den indischen Subkontinent und seine Grenzen
6. QZSS
QZSS ist ein satellitengestütztes Augmentations- und Zeitübertragungssystem, das in Japan entwickelt wurde und dem GPS-Navigationssystem ähnelt und präzise Positionierungsdienste in bestimmten Gebieten bereitstellt. Derzeit sind 5 Satelliten in der Umlaufbahn.
Nation:
Japan
Erscheinungsdatum:
2010
Anzahl der Satelliten:
5
Frequenz:
1576,45 MHz, 1227,60 MHz, 1176,45 MHz und 1278,75 MHz
Modulationsverfahren:
Binary Phase Shift Keying (BPSK) und CSK
Satelliten-Orbitalhöhe:
32.000 bis 40.000 Kilometer
Abdeckungsbereich:
Innerhalb Japans
V. Anwendungen von Satellitennavigationssystemen
Straßen- und Schienenverkehrsnavigation
Logistik- und Speditionsdienste
Marineanwendungen
Militärische und zivile Luftfahrt
Präzisionslandwirtschaft
Autonomes Fahren (fahrerlose Autos)
Drohnenbetrieb
Sicherheits- und Überwachungsanwendungen
Flottenverfolgung und -management
Interaktive Spiele
Such- und Rettungsaktionen
Medizinische Anwendungen (Verfolgung von Patienten, die besondere Pflege benötigen)
Wettervorhersagen und -sendungen
Katastrophenmanagement
VI. Einschränkungen
Die Genauigkeit kann aufgrund atmosphärischer Bedingungen eingeschränkt sein.
Andere Hochfrequenzquellen können den GPS-Dienst stören.
Eine Fehlfunktion der Atomuhr auf dem Satelliten kann zu falschen Positionsinformationen führen.
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