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Satelliten, Atomuhren und Funksignale

Wie funktioniert Satellitennavigation?

Wenn Galileo im Jahr 2008 einmal fertig installiert ist, sollen seine Satelliten eine Ortung ermöglichen, die den Standort bis auf den Meter genau angibt – und dies bis in hohe Breiten von bis zu 75° Nord. Eine Armada von 30 Satelliten, davon 27 aktiv und drei als Ersatz, auf drei verschiedenen Umlaufbahnen sowie zahlreiche Bodenstationen sind dabei die Hauptakteure.

Aus der Zeitverzögerung des Satellitesignals wird die Entfernung ermittelt. © MMCD

Das Funktionsprinzip einer solchen Satellitenortung ist eigentlich relativ einfach. Es beruht auf der Trilateration, einem altbekannten Prinzip der Entfernungsmessung. Nach diesem kann ein Standort bestimmt werden, wenn dessen Abstand zu mindestens drei anderen Orten bekannt ist. Diese Methode wird beispielsweise auch von Seismologen genutzt, wenn sie das Epizentrum eines Erdbebens lokalisieren wollen. Sie errechnen dabei aus den unterschiedlichen Laufzeiten der Erdbebenwellen die Entfernungen der jeweiligen Messstationen zum Bebenherd.

Der besondere Clou der Satellitennavigationssysteme besteht im Prinzip darin, dass sie diese normalerweise auf der Erde liegenden Referenzpunkte kurzerhand ins All verlegen. Die genauen Positionen von mindestens drei Satelliten in der Umlaufbahn dienen nun als Berechnungsgrundlage für die Triangulation. Da sie von einem großen Teil der Erdoberfläche aus anpeilbar sind, bilden sie ein über große Gebiete hinweg funktionierendes Referenznetz.

Die tatsächlich Ortung aber entsteht erst durch das Zusammenspiel von Satelliten und ihren Bahnen, den Bodenstationen und den einzelnen Empfängern, den drei so genannten „Segmenten“ des Navigationssystems.

Vom Satelliten…

GPS-Satellit © USGS

Beim amerikanischen GPS umkreisen 28 Satelliten die Erde in 20.183 Kilometern Höhe auf sechs kreisförmigen Umlaufbahnen. Diese sind 55° gegen den Äquator und um jeweils 60° gegeneinander gekippt, um einen möglichst großen Bereich der Erdoberfläche abzudecken. Immer vier Satelliten teilen sich dabei eine Flugbahn und folgen ihr zeitlich versetzt im Abstand von 120 Längengraden, die restlichen Satelliten sind Reserve.

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Jeder Satellit sendet in kurzer Abfolge codierte Signalsequenzen an Bodenstationen und Empfänger. In diesen gibt er neben seiner persönlichen Kennung und einigen Angaben zu seinem Status auch Informationen zu seiner Flugbahn und – das Wichtigste – die genaue Zeit, zu der dieses Signal den Satelliten verlässt. Eine Caesium/Rubidium-Atomuhr an Bord der GPS-Satelliten misst dafür die Zeit auf 60 Nanosekunden genau, bei Galileo soll es dank einer neuartigen Hydrogen-Maser-Uhr sogar noch geringere Abweichungen geben.

…zum Boden

Das Signal eines GPS-Satelliten, ausgestrahlt über eine Mittelwellenfrequenz, das so genannte L-Band, ist auf der Erdoberfläche in einem Bereich mit dem Radius von rund 8.200 Kilometern zu empfangen. Für dieses Gebiet steht der Satellit jeweils hoch genug am Himmel, um direkten Kontakt zur Bodenstation oder dem GPS-Empfänger zu haben. In den Randbereichen dieses Sendekegels allerdings reichen schon höhere Häuser oder Bäume aus, um den Satelliten zu verdecken und damit das Signal zu blockieren.

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Stand: 13.08.2004

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Galileo
Europas Satellitennavigationssystem auf dem Weg ins All

Emanzipation mit Hindernissen
Europas langer Weg zum eigenen System

Transatlantische Frequenzstörung
Galileo zwischen Kompromiss und Unabhängigkeit

Satelliten, Atomuhren und Funksignale
Wie funktioniert Satellitennavigation?

Signal an Empfänger
Ortung mit Hindernissen

Zu Lande, zu Wasser und in der Luft...
Einsatzmöglichkeiten für Galileo im Verkehr

Olympische Generalprobe
Galileos Vorstufe EGNOS im Praxistest

Luft, Eis und Wasser
Anwendungen für Galileo in Wissenschaft

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