Das Global Navigation Satellite
System (GNSS) ist die Bezeichnung für die
globalen Satellitensysteme zur Positionsbestimmung und zur Navigation. Heute
gibt es vier Systeme unterschiedlicher Nationen. Alle
Satellitennavigationssysteme benutzen Funksender auf speziellen
Navigationssatelliten, deren Radiowellen von Navigationsgeräten empfangen
werden. Zur Positionsbestimmung und Navigation muss ein Empfänger die Signale
von mindestens vier Satelliten gleichzeitig empfangen. Die Entfernung vom
Satelliten zum Empfangsgerät ergibt sich aus der Signallaufzeit.
Folgende 4 Systeme sind im Einsatz:
Satellitennavigationssystem GPS
Zu dem globalen Positionsbestimmungssystem gehören 31 Satelliten, die in einer
Höhe von ca. 20.000 km in sechs Umlaufbahnen mit einer Neigung von 55' zum
Äquator kreisen. Dabei dauert eine Erdumkreisung eines einzelnen Satelliten 11
Stunden und 58 Minuten. Durch diese Anordnung kann der GPS-Nutzer an fast jedem
Ort der Erde über mindestens vier, in der Regel 6 bis 10, für die Ortsbestimmung
brauchbare Satelliten verfügen. Auf drei Frequenzen werden kontinuierlich Zeit,
Bahn- und Korrekturdaten gesendet. Für die Seefahrt stehen eine Vielzahl von
reinen GPS-Empfangsanlagen,
aber
auch Multisystemempfänger verschiedener Hersteller mit unterschiedlicher
Leistungsfähigkeit zur Verfügung. Die von den Betreibern veröffentlichten
durchschnittlichen Genauigkeiten für den Standard Positioning Service (SPS)
werden mit weniger als 10 Meter angegeben. Zu militärischen Einsatzzwecken kann
das GPS-Signal regional beeinflusst oder abgeschaltet werden, wenn dies die
nationale Sicherheit der USA erfordert.
Obwohl sich GPS generell als genaues und zuverlässiges
Positionsbestimmungssystem bewährt hat, fehlen dem Nutzer Informationen über den
aktuellen Systemzustand und damit über die Verlässlichkeit der aktuellen
Position (Systemintegrität). Die Genauigkeit und Integrität kann durch lokale
Differential-GPS-Verfahren (DGPS) gesteigert werden. Dabei misst eine
Referenzstation an einem geographisch bekannten Ort die aktuellen Fehler der
einzelnen Satelliten und stellt die daraus resultierenden DGPS-Korrekturwerte
und Systemintegritätsangaben im international standardisierten Format zur
Verfügung. Dadurch lässt sich die Position des Empfängers erheblich genauer
berechnen. Auch die Nutzung von GPS-Mehrfrequenz-, oder Multisystemempfängern
ermöglicht eine deutliche Steigerung der Genauigkeit.
Satellitennavigationssystem GALILEO
Um den Mangel der Systemintegrität und andere Nachteile von GPS zu beseitigen
und die Abhängigkeit von einem einzigen System zu vermeiden, hat der Ministerrat
der Europäischen Union den Aufbau eines eigenen satellitengestützten
Positionsbestimmungssystems mit Namen "GALILEO" beschlossen. Das Galileo
Satellitennavigationssystem wird von der GSA (Agentur für das Europäische GNSS)
betrieben und untersteht rechtlich dem EU-Parlament. In einer Höhe von ca.
23.616 km kreisen derzeit 26 Satelliten in drei Bahnebenen mit einer Neigung von
56' zum Äquator. Eine Erdumkreisung eines einzelnen Satelliten dauert 14
Stunden. Galileo befindet sich seit 2016 im Probebetrieb und soll in naher
Zukunft mit 27 (+3 Reserve-Satelliten) den normalen Betrieb aufnehmen - der
gegenwärtige Probebetrieb ermöglicht heute schon die freie Nutzung der
Galileo-Dienste zur Navigation. Nach dem Endausbau können die Navigationssignale
auf Breitengraden bis zu 75° Nord und 75° Süd problemlos empfangen werden. Die Galileo-Signale werden auf fünf
Frequenzen im Codemultiplexverfahren (CDMA) ausgesendet. Vier Frequenzen sind
für alle Nutzer frei verfügbar. Zusätzlich zu den frei nutzbaren Signalen wird
auf der Frequenz E6 der PRS Dienst ausgesendet (Public Regulated Service).
Dieser Dienst ist verschlüsselt und steht nur für hoheitliche Nutzer wie z.B.
Polizei, Vermessung, Militär und Katastrophenschutz zur Verfügung. Es sind
keine reinen Galileo-Empfänger für die zivile Schifffahrt verfügbar. Heutige
maritime Empfänger für Galileo gehören zu der Gruppe der Präzisionsempfänger und
verfugen meist über multisystemfähige GNSS-Prozessierung. Die
Positioniergenauigkeit des SPS liegt in der gleichen Größenordnung wie beim
zivil nutzbaren GPS und kann durch die gleichzeitige Nutzung mehrerer
Galileo-Signale deutlich auf weit unter einem Meter verbessert werden.
Grundsätzlich sollten Multisystemgeräte alle verfügbaren Signale nutzen, um eine
bestmögliche Position bestimmen zu können. Die Genauigkeit und Integrität
kann durch Nutzung von mindestens zwei der angebotenen Galileo-Signale, sowie
durch lokale Differential-Verfahren (DGNSS) gesteigert werden. Für das
Galileo-Satellitennavigationssystem wurde ein weltweites Netz aus
Referenzstationen aufgebaut, die höchste Dichte erreicht dieses Netz in Europa.
Die mit Hilfe des Referenznetzes bestimmten Daten zur Nutzbarkeit, Genauigkeit
und Integrität des Galileo-Systems werden den Nutzern über die Satellitensignale
zur Verfügung gestellt. Als Zusatzfunktion stellt GALILEO einen globalen Such-
und Rettungsdienst (SAR) bereit.
Satellitennavigationssystem GLONASS
Das russische GLONASS (Globalnaya Navigatsionnaya
Sputnikovaya Sistema) wird vom
Verteidigungsministerium der Russischen Föderation betrieben und hat im Bereich
der zivilen Schifffahrt gegenwärtig keine große Bedeutung. Das Navigationssystem
dient im Wesentlichen den russischen Streitkräften. In einer Höhe von ca.
19.100 km kreisen 28 Satelliten in drei Bahnebenen mit einer Neigung von 65' zum
Äquator. Diese Konstellation ermöglicht eine bessere Signalabdeckung in hohen
nördlichen Breiten als beim amerikanischen GPS. Eine Erdumkreisung eines einzelnen Satelliten
dauert 11 Stunden und 15 Minuten. Die GLONASS-Signale werden auf zwei
Pilotfrequenzen ausgesendet und können auch von privaten Nutzern weltweit
verwendet werden. Die Positioniergenauigkeit liegt in der gleichen Größenordnung
wie beim zivil nutzbaren GPS. Es sind kaum reine GLONASS-Empfänger für die
zivile Schifffahrt verfügbar. Heutige Empfänger verfügen meist über
multisystemfähige GNSS-Prozessierung und empfangen in der Regel sowohl GPS 11,
als auch GLONASS G1.
Satellitennavigationssystem BeiDou
Das von der chinesischen Volksbefreiungsarmee betriebene globale
Satellitennavigationssystem ist seit 2020 uneingeschränkt weltweit nutzbar. Die
Satellitenkonstellation von BeiDou besteht aus Satelliten in verschiedenen Arten
von Umlaufbahnen (Orbits), genutzt werden umlaufende, geostationäre und geneigte
geosynchrone Orbits. Diese Konstellation ermöglicht eine deutlich höhere
Verfügbarkeit von Satelliten über dem chinesischen Hoheitsgebiet. Die
BeiDou-Signale werden auf drei Frequenzen ausgesendet. Zwei Frequenzen stehen
auch für zivile Nutzer weltweit zur Verfügung. Die Positioniergenauigkeit wird
für zivile Anwender mit einer Genauigkeit von 4,4 Metern angegeben. Fast alle
großen Hersteller von Smartphones unterstützten die Ortsbestimmungsfunktion von
Beidou. Für 2035 ist eine neue Generation des Beidou-Systems angekündigt.
Störungen von GNSS
Es ist technisch möglich, den Empfang von GNSS in einem Umkreis von einigen 100
m bis hin zu einigen 100 km zu stören bzw. zu unterbinden. Auch besteht die
seltene Möglichkeit den GNSS-Empfänger durch die verfälschte Wiedergabe der
Satellitennavigationssignale zu täuschen. Sowohl im Stör-, als auch im
Täuschungsfall können die Empfänger Positionsinformationen ausgeben, die nicht
der wahren Position entsprechen. Flugzeuge oder Schiffe können so vom Kurs
abgebracht werden. Die Schwierigkeit besteht in diesen Fällen darin, die
fehlerhafte Positionsangabe zu bemerken und entsprechende Vorsicht walten zu
lassen. Während des Ukraine-Kriegs gab es viele rätselhafte Störungen des
GPS-Signals in der Ostsee. Auch durch Sonnenfleckenaktivitäten stören können die
Messungen gestört werden, weil diese die Laufzeiten der Signale verzögern.
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