Globale Navigations-Satellitensysteme

Die Zeiten, in denen großformatige Karten zwecks Orientierung quer über der Motorhaube lagen, sind schon lange vorbei. Heute gibt das Navigationsgerät im Auto die Richtung vor. Dank Satellitensystemen im Weltall, steht dem zielgerichteten Ankommen nichts mehr im Weg.

GPS (Global Positioning System) hat sich zwar als Synonym für die Positionsbestimmung durchgesetzt, es gibt aber insgesamt vier wichtige Globale Navigations-Satellitensysteme (GNSS):

• GPS, betrieben von den USA
• Galileo, betrieben von der Europäischen Union
• Glonass, betrieben von der Russischen Föderation
• Beidou, betrieben von der Volksrepublik China

Die GNSS-Satelliten umkreisen die Erde in rund 20.000 km Entfernung. Das ist hoch genug, damit weder die Atmosphäre noch das Erdanziehung die Umlaufbahnen stören. Gleichzeitig sind 20.000 km die optimale Entfernung, damit die Satelliten für Nutzende auf der Erde längere Zeit gut sichtbar sind.

Mit der Satellitnnavigation ist heute möglich, wovon die Seefahrer in früheren Zeiten nur träumen konnten: Den eigenen Standort überall auf der Welt metergenau bestimmen.

Messprinzip

Streckenmessung von einem GNSS-Satelliten zum Empfänger

Mit Globalen Navigations-Satellitensystemen wird immer die Strecke zwischen einem Satelliten und dem Empfänger gemessen. Der Satellit übermittelt die Uhrzeit und seine Position an den Empfänger. Mit diesen Daten wird die Laufzeit des Signals bestimmt. Der Wert für die Lichtgeschwindigkeit ist bekannt (c = ca. 300.000 km/s), so dass die Empfänger den Abstand zum Satelliten berechnen können. Was noch fehlt, ist die Position des Empfängers. Denn eine einzelne Streckenmessung besagt nur, dass sich der Empfänger in einem bestimmten Abstand zum Satelliten befindet (siehe Abbildung 1, gestrichelte Linie).

Umkreise um die Satelliten: Gemessene Strecken (gestrichelt) und wahre Strecken (durchgezogen)

Um die genaue Position des Empfängers festzustellen – also alle drei Raumkoordinaten – braucht es Streckenmessungen zu drei Satelliten gleichzeitig. An der Stelle, wo sich die Umkreise (also die Streckenmessungen) der drei Satelliten überschneiden, befindet sich der Empfänger (z. B. die gestrichelten Linien in Abbildung 2).

Um Strecken zu bestimmen, muss die Laufzeit der Signale sehr präzise gemessen werden. Aufgrund von Uhrenfehlern entspricht die gemessene Strecke nicht unbedibgt der wahren Strecke. Im Beispiel von Abbildung 1 und 2 ergibt sich dadurch jeweils eine etwas größerer Abstand vom Satelliten, dargestellt durch die durchgezogenen Kreise. Diese schneiden sich nicht an der Position des Empfängers. Um den Uhrenfehler zu bestimmen ist ein vierter Satellit nötig, wie in Abbildung 2 rechts angedeutet.

Laufzeitmessung

Für alltägliche Anwendungen ist das beschriebene Messprinzip ausreichend. Wenn es jedoch um die Vermessung der Erde geht, müssen die Angaben Millimetergenau sein. Das erreichen Geodäten mit der Phasenmessung von elektromagnetischen Wellen. Mit speziellen Geräten und Analysen ermitteln Wissenschaftler die Anzahl ganzer Wellenzüge des Signals zwischen Satelliten und Empfänger. Damit können sie die Strecke sehr genau ausgemessen. Entsprechend genauer ist dann auch die bestimmte Position.

Es gibt jedoch eine Reihe von äußeren Einflüssen, die bei Laufzeitmessungen zu beachten ist:

• Das Schwerefeld der Erde muss bekannt sein, da es die Bewegungen der Staelliten beeinflusst.
• Die Drehbewegung der Erde muss bekannt sein. Im Detail schwankt die Rotationsachse der Erde um winzige Beträge, ebenso ist die Tageslänge nicht konstant. Diese Abweichungen wirken sich auf die berechneten Positionen der Satelliten aus. Deshalb müssen diese Erdrotationsparameter in der Auswertung berücksichtigt werden.
• Auf dem Weg vom Satelliten zum Empfänger auf der Erde durchlaufen die Signale die Erdatmosphäre, werden von ihr abgelenkt und verlangsamt. Die Auswirkungen dieser Störungen kann man im Voraus modellieren und als Korrekturen an die Beobachtungen anbringen. In der Realität weicht die Atmosphäre jedoch von den Modellen ab, weil ihr Verhalten zeitlich und räumlich sehr variabel ist. Deshalb werden die Atmosphärenparameter in der hochgenauen Auswertung berücksichtigt.

Internationale Netze

Damit die Navigations-Satellitensysteme exakt arbeiten können, braucht es ein globales Netzwerk von Referenzstationen am Boden. Nur Stationen, die bestimmte technische Anforderungen erfüllen und genügend hochwertige Daten liefern, können sich am International Global Navigation Satellite System Service (IGS) beteiligen. Zurzeit sind das über 500 Stationen auf der ganzen Welt: https://igs.org/network/#station-map-list
Die Beobachtungen dieser Stationen fließen unter anderem in den geodätischen Referenzrahmen ein. Aus den permanenten Messungen bestimmen Geodäten die zeitlichen Veränderungen der Erdkruste und analysieren deren Ursache. In Skandinavien hebt sich beispielsweise die Erdkruste, während sie sich in Italien, Griechenland und der Türkei stärker in der Horizontalen bewegt.

Der IGS liefert außerdem:

• Satellitenbahnen
• Bahnvorhersagen für Satelliten
• Erdrotationsparameter
• Atmosphärische Parameter
• Uhrenkorrekturen

Diese Produkte verwendet das BKG, um hochgenaue geodätische GNSS-Prozessierungen insbesondere auf europäischer und nationaler Ebene durchzuführen.

In Europa hat sich ein regionales Netz permanent beobachtenden Stationen entwickelt, das europäische Referenznetz EUREF Permanent Network (EPN). Es besteht mittlerweile aus rund 350 Stationen und stellt die europäische Verdichtung des IGS-Stationsnetzes dar. Aus diesen Daten wleitet sich der europäische Referenzrahmen EUREF ab.