Kurzübersicht wie GPS funktioniert

Navstar (GPS)

Die Vereinigten Staaten lancierten unter dem Namen GPS (Global Positioning System) schon vor 1980 ein langfristiges Projekt mit dem Ziel, Erdsatelliten nicht nur für die Kommunikation, sondern auch die Navigation einzusetzen. Das gewählte Prinzip ist in seinen Grundzügen bestechend einfach, in seiner praktischen Realisierung jedoch äusserst schwierig. Der Schlüssel zum Erfolg liegt vor allem in der präzisen Zeitmessung mittels Rubidium-Atomuhren, und zwar sowohl an Bord des Satelliten als auch im Instrument des Benützers auf der Erde, dessen Position bestimmt werden soll.

Zum einen muss die Laufzeit des Navigationssignals auf mindestens eine Zehnmillionstelsekunde, besser im Nanosekundenbereich, gemessen werden. Dann müssen Satellit und mobile Bodenstation die exakt gleiche Uhrzeit kennen, so dass die Lagekoordinaten des Satelliten (und natürlich der momentanen Drehposition der Erde) gerechnet werden können. Dann weiss man aber erst, auf welchem Kreis man sich befindet: der Schnittlinie zwischen der Kugel konstanten Abstandes um den Satelliten und der Erdoberfläche. Wegen der Doppeldeutigkeit von Kreisschnittpunkten und anderen Ungenauigkeiten benötigt man aber mindestens vier simultane Ortsbestimmungen der beschriebenen Art, also von vier Satelliten! Diese müssen sich gleichzeitig über dem Horizont befinden. Da dies für jeden Erdort möglichst jederzeit gilt, braucht es insgesamt viel mehr als vier Satelliten. Aus technischen Gründen müssen sie also eine Minimalhöhe haben, da es zu viele Satelliten brauchen würde. Der Van-Allensche Strahlungsgürtel versperrt aber den idealen Bereich, so dass man die Bahnhöhe schliesslich unmittelbar oberhalb des gefährlichen Gürtels bei rund 20'000 km gewählt hat. Es braucht dort eine beträchtliche Zahl von solchen "Navigationssternen" (beim Navstar-System mindestens 18 oder idealerweise 24), um zu jeder Zeit nie weniger als vier in Sichtweite zu haben. Dies ist der Grund, weshalb der Aufbau dieses Wunderwerkes ein rundes Jahrzehnt in Anspruch nahm, nämlich von 1978 bis etwa 1988. Die Challenger-Katastrophe und die anschliessende Bereitstellung von genügend herkömmlichen Startraketen hatte die Inbetriebnahme des Navstar-Systems zusätzlich verzögert.

Nach den ersten Versuchssatelliten vom Typ Transit und Timation wurden von Vandenberg aus die ersten 6 Navstar mit Atlas-F-Raketen abgeschossen:

Navstar Abschussdaten

Diese erste Serie von nur 450 kg schweren Einheiten wies 63 Grad zum Äquator geneigte 12-Stundenbahnen in Höhen von gut 20'000 km auf. Navstar 7 ging bei einem Fehlstart am 18. Dezember 1981 verloren. Es gelang dennoch, bis Ende 1985 11 von geplanten 12 Satelliten einsatzbereit zu haben (wenigstens geografische Länge und Breite bestimmbar), von denen bis 1989 aber vorübergehend nur noch 7 funktionierten. Erst etwa ab 1990 waren ständig deren 16 einsatzbereit und schliesslich bis 1995 alle 24, so dass zusätzlich auch die Höhe über Meer bestimmbar und eine grössere Genauigkeit erreichbar wurde. Am 15. Juli 1996 lancierte eine Delta 2 einen ersten Navstar als Ersatz für einen älteren, der noch von 1989 stammte. Die neuen Modelle wogen inzwischen 2 Tonnen und hatten entsprechend grössere Leistungen. Der 28. und letzte der Grundkonfiguration (Typ GPS 2A) kostete z.B. 55 Mio Dollar, seine Delta-Startrakete weitere 41 Mio. Von da an wollte man die Konstellation von sechs Ebenen (A-E) mit je vier Satelliten immer vollständig und auf dem neuesten Stand halten. 1999 waren 27 Satelliten aktiv, und auch an den Polen stiegen diese bis 45 Grad über den Horizont. Am 10. Mai 2000 konnte eine Delta II endlich einen älteren Satelliten durch ein neues Modell des Type IIR ersetzen, von denen wegen früheren Fehlstarts bis dahin erst drei Stück erfolgreich in den Orbit gelangt waren.

Seit 1978 lief ein Testprogramm für möglichst einfache und zuverlässige Bodeneinrichtungen, die in jedes Fahrzeug oder Flugzeug eingebaut und schliesslich sogar getragen werden konnten. Die Empfänger wurden ebenfalls kleiner und billiger. So können z.B. Verkehrsflugzeuge auch in geringerem Abstand als früher immer noch sicher fliegen. Wenn bei militärischen Auftankmissionen in der Luft ein Rendezvous in Ort und Zeit verabredet wird, dann kann dieses mit viel grösserer Genauigkeit eingehalten werden als zuvor. Die völlige Umstellung der Navigation auch von Verkehrsflugzeugen wäre zwar heute schon möglich, soll aber aus Sicherheitsgründen erst zu Beginn des nächsten Jahrhunderts als primäres System eingeführt werden. Satelliten im Orbit können, genau wie Flugzeuge, von Navstar zur Positionsbestimmung verwendet werden. Aus den Phasendifferenzen des Trägersignals von mehreren Empfängern auf den Seitenwänden eines Satelliten kann zusätzlich dessen räumliche Orientierung im Orbit errechnet werden. Als Weiterentwicklung davon wurde es sogar möglich, die Satellitenantennen von Grossraumflugzeugen vollautomatisch auf den gewünschten geostationären Satelliten auszurichten, unabhängig von allen Manövern, welche der Jet ausführt!

Ein Navigationsgerät am Boden kann, umgekehrt vom Satelliten aus gesehen, nie lokalisiert werden, denn es sendet nicht, sondern empfängt nur. Es wäre somit auch nicht möglich, einen Benützer zu orten, der das System “unerlaubterweise” benützt. Um sich dabei etwas abzusichern, wurde von Anfang an ein Code eingeführt, ohne den die Apparate gar nicht oder ungenau funktionierten. Man wollte aus guten Gründen (Missbrauch durch fremde Staaten!) nur die militärischen Versionen der USA die volle Präzision erreichen lassen. Für den allgemeinen Benützer ist dies meist auch gar nicht nötig. Seit der Entspannung zwischen den Supermächten und gleichzeitig gewachsenen Ansprüchen der Benützer, aber auch der Konkurrenz durch ähnliche Systeme anderer Nationen (z.B. das russische Glonass), wird die Standardgenauigkeit von Navstar jedoch ständig erhöht.

Es hat sich bald gezeigt, dass die Genauigkeit durch eine raffinierte Massnahme noch weiter gesteigert werden kann. Dies wurde besonders für die zivilen Anwender wichtig, welche versuchten, aus der vom Verteidigungsdepartement absichtlich reduzierten Datenqualität ein Maximum herauszuholen. Die Idee beruht darauf, neben dem mobilen Benützer einen benachbarten fixen Punkt seinen Standort anzupeilen zu lassen, dessen Koordinaten natürlich genau bekannt sind. Damit wird der mutmassliche Fehler der Satellitennavigation in dieser Region bekannt und kann seinerseits von einem Radiosender als Zusatzinformation verbreitet werden. Beide Signale zusammen ergeben ein genaueres Verfahren, das den Namen “differentielle Navigation” trägt.

Im Jahre 1989 kam ein GPS-Empfänger mit dem Namen Magellan auf den Markt, der etwa die Grösse eines wissenschaftlichen Taschenrechners hatte und 3000 Dollar kostete. 1992 war der Preis bereits auf 1800 Dollar gesunken. Noch vor Ende 1995 gab es die Geräte schon für 199 Dollar. Alle Grundfunktionen waren zu diesem Zeitpunkt auf einem einzigen Chip integriert, und man konnte die GPS-Empfänger auch als PCMCIA-Steckkarte für mobile Laptop-PC’s haben. Damit war die Prognose der Futurologen von 1980 im wesentlichen realisiert, dass die einst grossen und teuren Navigationsgeräte bzw. die Kenntnis des genauen Ortes auf der Erdoberfläche binnen 15 Jahren zu einer ebensolchen “Selbstverständlichkeit” würden wie die Kenntnis der Zeit dank unseren Uhren.

Schon bei den ersten Versuchen hatte sich bestätigt, dass die Messgenauigkeit von etwa 10 Metern auf der Erdoberfläche tatsächlich realisierbar ist. Es ist etwas schwieriger, auch die dritte Koordinate senkrecht zur Erdoberfläche (z.B. in Form der Höhe über Meer) herauszulesen, doch hat man durch mehr Satelliten auch dabei eine ähnliche Präzision erreicht. Zusätzlich möglich ist auch die Geschwindigkeitsmessung mit dem Dopplerprinzip, bei der auf besser als 1 km/h genau festgestellt werden kann, in welcher Richtung und wie schnell ein mit diesem Gerät ausgestattetes Objekt sich bewegt!

Bis 1999 erreichte man grundsätzlich (“unter Laborbedingungen”) Genauigkeiten bis in den Zentimeterbereich, doch hielt das Militär die “zivil nutzbare Genauigkeit” mit der Beschränkung auf “Selective Availability” weiterhin bei etwa 100 Metern. Diese Limiten wurden jedoch ständig umgangen und mussten mit neuen Massnahmen wiederhergestellt werden. Schliesslich sorgte die Ankündigung eines europäischen Konkurrenzsystems (Galileo) dafür, dass die USA das GPS-System auch für zivile Benützer freigaben. Damit wollte man den Anreiz verkleinern, vom originalen GPS unabhängig zu werden.

Als Kuriosum ist zu vermerken, dass auch die Software der GPS-Satelliten als nicht selbstverständlich “Jahr-2000-tauglich” erkannt wurde. Pikanterweise hatte man aber für einmal nicht mit einer zwei- statt vierstelligen Jahrzahl gesündigt, aber die Programmierer hatten an ähnlicher Stelle gespart. Es war in mangelnder Weitsicht ein Systemdatum eingeführt worden, das auf “1024 Wochen ab dem 6. Januar 1980” beruhte. Offenbar hatten die Verantwortlichen nicht damit gerechnet, die Stunde der Wahrheit bereits im Jahre 2000 zu erleben! Ein gründlicher Test wurde daher auf den 23. April 1999 angesetzt. Hierzu nahm man einen der in genügender Anzahl vorhandenen GPS-Satelliten auf die Liste der “unzuverlässigen Einheiten”, um bei ihm das Datum gefahrlos vor den kritischen Zeitpunkt vorstellen zu können und dann von Woche 1023 auf 0000 durchlaufen zu lassen. Woche “0000” war noch nie vorgekommen, und es war abzuklären, wie ältere Empfänger auf diesen “Ausnahmefall” reagieren. Heute würde man natürlich mit den sog. Adressierlimiten von Zeiträumen nicht mehr so unnötig sparsam umgehen, aber beim GPS-System ist es nachträglich nicht mehr leicht möglich, die Software umzustellen und gleichzeitig Milliardenwerte von Hardware auszutauschen!

Die enormen Genauigkeitsanforderungen beim GPS-System haben die himmelsmechanischen Berechnungsmethoden in unerwarteter Weise befruchtet. Zunächst hatte man angenommen, die Flugbahnen würden mit sehr geringer Drift periodisch über lange Zeit immer wieder die gleichen Gebiete der Erde fliegen, so dass nur wenig Korrekturtreibstoff benötigt wird. In Wirklichkeit veränderte sich aber sogar die Umlaufperiode kontinuierlich, während die klassischen Theorien von “säkular konstanter Halbachse” ausgingen – langfristig also nur von Schwankungen um einen konstanten Mittelwert. Diese Beobachtungen verlangten nach einer theoretischen Erklärung. Aufwendige mathematische Untersuchungen ergaben, dass die Orbits Resonanzen mit den Unregelmässigkeiten im Schwerefeld der Erde entwickeln, und dass deren Verständnis zur Wahl von idealen Bahnelementen führt, wo effektiv weniger Bahnkorrekturen nötig und somit Einsparungen beim Treibstoff möglich sind. Inzwischen weiss man, dass auch die Bahnelemente anderer Erdsatelliten bei Betrachtung mit grösster Genauigkeit ein chaotisches Verhalten zeigen. Nur beim GPS hatte man diese jedoch mit so hoher Genauigkeit untersucht, dass man das Phänomen überhaupt entdeckte.

Die immer beachteten Aspekte von “Sabotage” und “Störungen” des GPS-Systems fanden im Verlaufe des Jahres 2001 vermehrt Gehör und auch einige Antworten. Eine Möglichkeit besteht darin, lokale Störungen augenblicklich zu erkennen, zu lokalisieren und bis zur Ausschaltung durch starke mobile oder weltraumbasierte Repeater (Signalverstärker) zu sättigen (“übertönen”).