Globale Satellitennavigation: Verschiedene Systeme und ihre Technischen Funktionsweisen

Früher waren Autoreisen in unbekannte Gebiete ohne Karte oder Straßenatlas nahezu undenkbar. Mittlerweile werden solche Hilfsmittel nicht nur immer seltener im Auto mitgeführt, ein Großteil, insbesondere der jungen Bevölkerung, beherrscht das analoge Navigieren gar nicht mehr. Abgelöst wurden die Karten von technischen Navigationssystemen, welche über Satellitensignale und Funk eine Positionsbestimmung und Zielführung ermöglichen. Solche Systeme kommen nicht nur in der Straßennavigation zum Einsatz, sondern auch in der privaten und kommerziellen See- und Luftfahrt, sowie bei der Indoor Navigation von zum Beispiel fahrerlosen Transportsystemen oder anderen autonomen Fahrzeugen. 

Es gibt verschiedene globale Systeme zur Satellitennavigation, die meisten Empfängergeräte können Signale mehrere Technologien empfangen. Im folgenden Artikel erklären wir die Funktionsweise der Satellitennavigation und vergleichen verschiedene Systeme, die aktuell für die Navigation verfügbar sind. 

GPS – Global Positioning System 

Das wohl bekannteste und weltweit wichtigste Ortungsverfahren ist das “Global Positioning System” (GPS). Es ist weitverbreitet in Navigationssystemen und wird in allen oben erwähnten Anwendungsszenarien verwendet. Da GPS auf den Signalen eines globalen Satellitennetzwerkes beruht, steht es weltweit zur Navigation zur Verfügung. 

Entwickelt wurde die Navigationstechnologie in den 70er Jahren vom US-Verteidigungsministerium. Ende der 90er Jahre wurde erstmals ein künstlich verschlechterter Dienst für die zivile Nutzung bereitgestellt. Seit dem Jahr 2000 ist GPS auch mit voller Leistung zur zivilen Nutzung freigegeben, und ermöglicht so eine Positionsbestimmung auf ungefähr zehn Meter genau. Die offizielle Bezeichnung der Technologie lautet “Navigational Satellite Timing and Ranging – Global Positioning System”, abgekürzt als NAVSTAR-GPS. Mittleiweile wird die Abkürzung GPS häufig als Bezeichnung für sämtliche satellitengestützten Navigationssysteme genutzt, obwohl diese korrekt unter der Bezeichnung “Global Navigation Satellite Systems” (GNSS) zusammengefasst werden. 

Glonass 

Ein weiteres globales Satellitennavigationssystem ist “Glonass”, welches vom russischen Verteidigungsministerium finanziert und betrieben wird. Die Entwicklung erfolgte aus militärischen Gründen zeitgleich zu der des US-amerikanischen NAVSTAR-GPS, auch technisch beruhen die beiden Systeme auf derselben Funktionsweise. Der Vollausbau von Glonass besteht aus 21 Standard- und 3 Reservesatelliten und Bodenstationen in Russland und der Ukraine. Aufgrund eines Rückgangs funktionstüchtiger Satelliten auf weniger als den Vollausbau war Glonass allerdings zwischenzeitlich nicht funktionsfähig. 

Galileo 

Seit 2016 gibt es mit “Galileo” auch ein europäisches GNSS, welches von der EU finanziert und gemeinsam mit der ESA betrieben wird. Auch Galileo ist weltweit frei nutzbar. Aktuell befinden sich 28 Satelliten dieses Navigationssystems im Orbit, welche von einem Netz von Bodenstationen kontrolliert werden. Galileo-Satelliten übermitteln ihre Signale unverschlüsselt über drei Frequenzbänder, von denen eines mit NAVSTAR-GPS geteilt wird. Das Navigationssystem ermöglicht eine Genauigkeit von bis zu wenigen Zentimetern, für mobile Handgeräte ist eine Standortbestimmung auf ungefähr vier Meter genau möglich. Damit übertrifft Galileo die Konkurrenten GPS und Glonass.  

Technische Funktionsweise der Satellitennavigation 

Die oben beschriebenen Satellitennavigationssysteme basieren auf ähnlicher Technologie: GNSS-Geräte, die sogenannten Empfänger, können grundsätzlich Signale nur empfangen, aber nicht senden. Die Satelliten auf der anderen Seite senden durchgehend, die dabei verwendeten Frequenzen und der Code weichen aber je nach Technologie ab.  

Die Position des Empfängers wird bei der Satellitennavigation durch Messen der Entfernung zu mehreren Satelliten bestimmt. Die Entfernung zu einem einzigen Satelliten beschränkt die möglichen Empfänger Positionen lediglich auf die Oberfläche einer Kugel, welche den Satelliten als Mittelpunkt hat. Da es sich um einen Standort auf der Erde handeln muss, bleibt eine kreisförmige Schnittlinie zwischen Erdkugel und Entfernungskugel, auf der sich der Empfänger befinden kann. Zur Eingrenzung des genauen Standortes des GNSS-Gerätes benötigt es die Entfernung zu drei Satelliten. Der Empfängerstandort ist dann durch den Schnittpunkt der drei Entfernungskugeln gegeben und wird rechnerisch mit der Hilfe eines kartesischen Koordinatensystems ermittelt. 

Da die Entfernung zwischen Satellit und Empfänger nicht direkt gemessen werden kann, wird sie aus der Laufzeit des Funksignals abgeleitet. Dies kann man vereinfacht vergleichen mit dem Prinzip der Entfernungsbestimmung bei Gewittern. Da der Empfänger nicht aktiv mit dem Satelliten kommunizieren kann, bringt das empfangene Signal seinen Sendezeitpunkt als Code mit. Hierbei handelt es sich allerdings um die GNSS-Systemzeit, mit welcher der Empfänger in nicht synchronisiert ist. Um eine Synchronisation zu erreichen, wird die Differenz zwischen Empfängeruhr und GNSS-Zeit als zusätzliche Unbekannte bei der rechnerischen Positionsbestimmung eingesetzt. Es gilt nun also, ein Gleichungssystem mit vier Unbekannten (Länge, Breite, Höhe, Zeit) zu lösen. Hierzu benötigt es vier Gleichungen, also die Signale von vier Satelliten 

Beidou

Neben den oben aufgeführten Systemen gibt es noch eine weitere gängige Satellitennavigationstechnologie. “Beidou” ist ein chinesisches System, welches eine Positionsbestimmung auf bis zu 10 Meter genau ermöglicht. Anders als bei NAVSTAR-GPS, Galileo und Glonass handelt es sich bei Beidou allerdings um ein Doppelsatellit-Positionsbestimmungssystem. Bei diesem Verfahren ist eine bidirektionale Kommunikation möglich, Empfängergeräte senden also auch eine Antwort an den Satelliten. Dieses Verfahren ermöglicht die Standortbestimmung mit nur zwei Satelliten und zusätzlich das Senden kurzer Textnachrichten.  

Aufgrund einer geringen Anzahl von Satelliten stand Beidou zunächst geographisch nur sehr begrenzt zur Verfügung. Dank einer schrittweisen Ausweitung funktioniert das System seit letztem Jahr auch global und weist nur noch wenige blinde Flecken auf. Dennoch wird Beidou aktuell hauptsächlich von Produkten asiatischer Hersteller unterstützt. 

Multi-Constellation-Receiver 

Bei den meisten GNSS-Empfängern handelt es sich um sogenannte “Multi-Constellation-Receiver“, also um Geräte die Signale von Satelliten verschiedener Technologien (constellations) empfangen können. Dadurch befinden sich zu jeder Zeit mehr Satelliten im Sichtfeld des Empfängers, als wenn nur auf eine Technologie zurückgegriffen wird. Dies führt zu einer erhöhten Verfügbarkeit und Kontinuität: sollte das Signal eines Systems geblockt oder gestört werden ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass ein anderes Signal zur Verfügung steht. Auch für den extrem seltenen Fall des Ausfalls eines Satellitennavigationssystems kann auf andere Technologien zurückgegriffen werden. 

Außerdem ermöglichen solche Empfänger eine erhöhte Genauigkeit von Positions- und Zeitbestimmung, da Differenzen zwischen den einzelnen Technologien ermittelt werden können. Außerdem nimmt die Genauigkeit der Standortbestimmung ab, je näher die sendenden Satelliten beieinander sind.  Eine größere Auswahl kann daher zu mehr Genauigkeit führen. Dies ist beispielsweise hilfreich bei autonomer Mobilität und Fahrassistenzsystemen. 

Für Fragen zur Überprüfung des Mobilfunknetzes stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung! Unsere Netztester LTE überprüfen bereits jetzt 2G, 3G und 4G-Netze zuverlässig und einfach. Eine 5G Messung bieten wir im Laufe des Jahres für Sie an! Besuchen Sie unseren Shop, schreiben Sie uns eine E-Mail, oder rufen Sie uns unter +49 40 35 73 20 65 an!

, ,

Ähnliche Beiträge

Es wurden keine Ergebnisse gefunden, die deinen Suchkriterien entsprechen.

Menü