Global Navigation Satellite Systems (GNSS) sind aus unserem modernen Leben nicht mehr wegzudenken. Sie bilden die Grundlage für eine Vielzahl von innovativen Anwendungen – allen voran die Navigation in zivilen und militärischen bemannten Fahr- und Flugzeugen, die Lenkung unbemannter Flugkörper (Drohnen, Gleitbomben), die Vermessung von Gebieten an Land und auf See bis hin zu präzisen Zeitdiensten, die in der Telekommunikation und im Finanzwesen benötigt werden.
Der aktuelle Stand
Es gibt vier primäre GNSS-Systeme, die derzeit weltweit in Betrieb sind (Zahlen Stand 2023):
- NAVSTAR GPS (Global Positioning System): Eigentümer und Betreiber sind die USA, der erste Satellit wurde 1978 gestartet, aktuell sind 31 Satelliten in Betrieb
- GLONASS (Globalnaja Nawigazionnaja Sputnikowaja Sistema): Eigentümer und Betreiber ist Russland, der erste Satellit wurde 1982 gestartet und weltweit verfügbar ist, 25 Satelliten insgesamt, davon 24 einsatzbereit
- Galileo: Eigentümer und Betreiber ist die Europäische Union, der erste Satellit wurde 2011 gestartet. Es ist ein System, das besonders auf hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit abzielt. Von den derzeit 28 Satelliten insgesamt sind 24 einsatzbereit
- BeiDou: Eigentümer und Betreiber ist die VR China, der erste Satellit wurde im Jahr 2000 gestartet, ein ebenfalls modernes System, das global verfügbar ist und eine wichtige Rolle in Asien und darüber hinaus spielt. 29 Satelliten sind insgesamt im Orbit, davon 27 betriebsbereit; die 20 geostationären Satelliten nicht mitbetrachtet.
Es gibt darüber hinaus andere regionale GNSS-Konstellationen, die nur bestimmte Gebiete der Erde mit geostationären Satelliten bedienen:
- QZSS (Quasi-Zenit-Satelliten-System): Eigentümer und Betreiber ist Japan, der erste Satellit wurde 2010 gestartet, es sind mindestens 4 Satelliten gestartet worden
- IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System): Eigentum und Betrieb durch Indien, der erste Satellit wurde 2013 gestartet, es sind mindestens 5 Satelliten im Orbit
Das "G" in "GNSS" steht für "Global" und bedeutet, dass die Satelliten einer GNSS-Konstellation die ganze Welt umkreisen. Daher können die von diesen Satelliten gesendeten Nachrichten von jedem kompatiblen GNSS-Empfänger innerhalb der Reichweite des Signals empfangen und dekodiert werden. Im Unterschied dazu können geostationäre Satelliten nur von Personen genutzt werden, die sich in der jeweiligen Region befinden. Die staatlichen Stellen haben ihre GNSS-Technologien absichtlich nach dem Prinzip der "Interoperabilität" entwickelt, so dass bestimmte GNSS-Empfänger heute in der Lage sind, Nachrichten von allen GNSS-Satelliten zu empfangen und zu entschlüsseln, unabhängig davon, welches Land sie betreibt. Jeder GNSS-Betreiber gibt die Konstellationen an, die die Empfänger verfolgen können, sowie die verschiedenen Signale und Nachrichten, die sie unterstützen. Einige GNSS-Empfänger unterstützen nur die GPS-Konstellation, andere unterstützen zwei Konstellationen, wie GPS und GLONASS, und wieder andere, die die Signale aller vier GNSS-Konstellationen auswerten können. Je mehr Satelliten ein Empfänger verfolgen kann, desto zuverlässiger ist er im Einsatz und kann die eigene Position präzise berechnen, unabhängig davon, wo sich die Person auf dem Planeten befindet.
Jeder Satellit wird auf einem bestimmten Platz einer festen Bahnebene ausgesetzt, d.h. er umkreist die Erde auf der gleichen Bahn. Bei GPS befindet sich jede Bahnebene in einer Höhe von etwa 20.200km über der Erdoberfläche, in einem Winkel von 55 Grad zum Äquator. Ein einzelner GPS-Satellit umkreist die Erde zweimal pro 24 Stunden - oder einmal alle 11 Stunden und 58 Minuten. Jeder GNSS-Satellit ist mit mehreren extrem genauen Atomuhren ausgestattet ist, die nur alle 30.000 Jahre eine Abweichung von etwa einer Sekunde aufweisen. Diese Atomuhren erfüllen wichtige Funktionen für die Ortung und auch für Zeitmessanwendungen. Wenn ein Ortungssatellit seine Signale zur Erde sendet, enthält das Signal einige wichtige Informationen: z.B. Nachrichten über den Standort des Satelliten selbst, verschiedene Codes und den Zeitstempel, wann das Signal gesendet wurde. Sobald das Signal einen Empfänger am Boden erreicht, wird ein zweiter Zeitstempel erzeugt: der Zeitpunkt der Ankunft des Signals. Die Ankunftszeit ist nicht nur wichtig - sie ist die Grundlage für die Berechnungen der globalen Positionierung, um einen Satz von Standortkoordinaten (Breitengrad, Längengrad und Höhe) auf der Erde zu erhalten.
Durch stationäre Empfangsstationen kann die Positionsgenauigkeit verbessert werden. Sie übermitteln Korrektursignale an die Nutzer, z.B. im Differential Global Positioning System – DGPS. Von den Landesvermessungsämtern wird das deutsche SAPOS-System betrieben. SAPOS stellt drei verschiedene Signaldienste zur Verfügung, die eine Genauigkeit von bis zu unter 1cm erreichen. Satellitengestützte Zusatzsysteme (Satellite-Based Augmentation Systems - SBAS) sind das europäische EGNOS, das US-amerikanische WAAS, das japanische MSAS und das indische GAGAN, die die Korrektursignale über geostationäre Satelliten abstrahlen.
Aktuelle technologische Fortschritte
GNSS haben in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte gemacht. Verbesserte Signalverarbeitungstechniken und die Einführung von dualen Frequenzempfängern haben die Genauigkeit von GNSS-Systemen erheblich gesteigert. Durch die Integration mehrerer GNSS-Systeme (Multi-GNSS) können Nutzer von einer höheren Satellitensichtbarkeit und -verfügbarkeit profitieren, was die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Positionierung verbessert. Fortschritte bei der Signalverschlüsselung und -authentifizierung tragen dazu bei, GNSS-Signale gegen Störungen zu härten. Das umfasst das Jamming (Stören von GPS-Signalen) und das Spoofing (Fälschen von GPS-Signalen durch Überschreiben der Signale durch starke Funksender).
Zukünftige Entwicklungen
Durch die kontinuierliche Verbesserung der Satellitentechnologie einschließlich der Bodeninfrastruktur wird die Genauigkeit von GNSS-Systemen weiter erhöht. Die Integration von GNSS mit anderen Ortungstechnologien, wie Inertialnavigationssystemen (INS), 5G-/6G-Netzwerken und Low Earth Orbit (LEO) Satelliten, wird weiter voranschreiten. Diese Hybridlösungen können die Genauigkeit und Verfügbarkeit von Positionsdaten in herausfordernden Umgebungen, wie städtischen Schluchten oder Innenräumen, erheblich verbessern.
Mit der steigenden Verfügbarkeit präziser Positionsdaten werden neue Anwendungen möglich. GNSS wird eine Schlüsseltechnologie für die Navigation autonomerFahrzeuge, insbesondere in Kombination mit anderen Sensortechnologien, übernehmen. Die präzise Navigation und Positionierung von Drohnen wird durch fortschrittliche GNSS-Technologien erleichtert, was neue Anwendungsbereiche in der Logistik, Landwirtschaft, Vermessung und im militärischen Bereich eröffnet. GNSS wird eine wichtige Rolle bei der Entwicklung intelligenter Städte (Smart Cities) spielen, indem es Echtzeit-Daten für Verkehrsmanagement, öffentliche Sicherheit und Infrastrukturüberwachung bereitstellt.
Da GNSS für viele kritische Infrastrukturen von zentraler Bedeutung ist, wird aber auch die Sicherheit und Resilienz dieser Systeme weiter verbessert werden müssen. Dazu gehören weiterentwickelte Maßnahmen gegen Störungen und Spoofing, sowie die Entwicklung robuster Backup-Systeme.
Die Carl-Cranz-Gesellschaft bietet ein umfangreiches Seminarprogramm zu den o.a. verschiedenen Aspekten von GNSS an, u.a.
GNSS Grundlagen
GNSS-Anwendungen
GNSS-Resilienz
- Robustheit und Störbarkeit von Satellitennavigation
- Grundlagen und Trends der elektronischen und optronischen Aufklärungs-, Schutz- und Gegenmaßnahmen
Neuer Seminarkreis „Fortschrittliche Navigation: Theorie und Praxis im Fokus“
Die Carl-Cranz-Gesellschaft e.V. widmet den Entwicklungen im Bereich Navigation eine eigene, neu konzipierte Vortragsreihe und nähert sich dem Themenkomplex auf die der CCG typischen Art und Weise: Zusammenhänge verstehen auf höchstem wissenschaftlichem Niveau, aber auch mit wesentlichen Praxis- und Anwenderanteilen, damit in der Kürze der Zeit ein maximaler, industrienaher und -verwertbarer Nutzen entstehen kann. Mehr Informationen dazu finden Sie in unserer Broschüre zum Download.
