Orten und Navigieren sind für jedes tierische Lebewesen elementare Fertigkeiten. Wo es sich befindet und wohin sein Weg führt ist unerläßlich zu wissen, etwa um Nahrung zu finden oder Freßfeinden zu entfliehen. Der Mensch ergänzte sein natürliches Repertoire – intuitiven Orientierungssinn, Erkennen von Geländeformationen und Anbringen künstlicher Merkmale – je nach den Erfordernissen der von ihm entwickelten Verkehrsmittel im Laufe der Zeit durch technische Hilfen.

Bezeichnenderweise ist der Begriff Navigation von lateinisch navis, Schiff, abgeleitet. Zwar kann die Küstenschifffahrt noch natürlichen Landmarken wie Bergen oder Klippen folgen (schon in der Antike für nächtliche Fahrten durch Leuchtfeuer auf Türmen ergänzt); aber auf offener See benötigte man andere Mittel: Die Himmelsrichtung mußte man nach dem Stand der Sonne beziehungsweise polnaher Sterne abschätzen, die Geschwindigkeit über Grund mit dem Log. Der Kompaß wurde im Abendland erstmals 1190 erwähnt, und sogenannte Portolankarten mit sich netzartig überschneidenden Windstrahlen kamen für den Mittelmeerraum um 1300 auf. Die mit der Neuzeit einsetzende Überseeschiffahrt erforderte die Entwicklung astronomischer Tafeln, der Chronometer und präziser Winkelmeßgeräte zum Ablesen der Gestirnshöhen. Mittels der Astronavigation vermag ein geschulter Seemann seine Position auf einen bis fünf Kilometer genau zu bestimmen, was bis in die Gegenwart vielfach ausreichte.


Funknavigation

Die schnelleren, stärker wetterabhängigen und sich in drei Dimensionen bewegenden Flugzeuge verlangten jedoch, wie sich schon im Ersten Weltkrieg zeigte, nach jederzeit anwendbaren und zudem genaueren Verfahren. Es traf sich, daß ungefähr zeitgleich die Funktechnik verfügbar wurde, deren Leistungsfähigkeit sich parallel mit jener der Luftfahrt immer mehr steigerte. So werden seit etwa 1930 stationäre Funkfeuer zur Ortung und Navigation betrieben wie auch Sender an Bord von Flugzeugen und Schiffen.

Man kann die Richtung, aus der die fremden oder reflektierten eigenen Funksignale kommen, mit einem Peilgerät messen und so auf den momentanen Standort beziehungsweise den Bewegungszustand des Fahr- oder Flugzeugs schließen. Peilungen zu zwei Sendern in wesentlich unterschiedlicher Richtung bestimmen als Schnittpunkt die eigene Position. Auch lassen sich Differenzen der Signallaufzeiten messen und bei bekannten Senderstandorten sogenannte Standlinien konstanter Unterschiede, also immer gleicher Entfernung, bestimmen; mit drei Stationen ermittelt man als Schnittpunkt zweier Standlinien wiederum die eigene Position. Das während des Zweiten Weltkrieges entwickelte LORAN-System (long range navigation) beruht auf diesem Prinzip.

Indem man die Funkwellen bündelt und um eine mittlere Trägerfrequenz moduliert, sind Leitstrahlen zu erzeugen. So ermöglicht das derzeit im Luftverkehr gebräuchliche Instrumentenlandesystem den Blindlandeanflug – die Modulation des im Flugzeug empfangenen Signals ändert sich, wenn es aus der Leitstrahlebene abweicht.

Die Funknavigation steht freilich nur regional zur Verfügung, weil entsprechende Sender über Meeren und Gebirgen fehlen. Andere Systeme müssen den von einer sicher bestimmten Position zurückgelegten Kurs und die dabei geflogenen Geschwindigkeiten protokollieren, so daß sich aktuelle Positionen durch sogenanntes Koppeln bestimmen lassen. Beispielsweise ermöglichen Trägheitssysteme an Bord von Flugzeugen, Beschleunigungen aufgrund von Geschwindigkeits- und Richtungsänderungen zu messen. Allerdings gibt es dabei zahlreiche Fehlerquellen, so daß die Berechnung weiterer Koppelorte immer ungenauer wird und durch Funknavigation wieder korrigiert werden muß.

Zudem sind elektromagnetische Wellen wegen ihrer geradlinigen Ausbreitung und der Kugelgestalt der Erde nur über relativ kurze Strecken ungestört und direkt zu empfangen. Zusätzliche Senderpositionen auf Bergen oder hohen Türmen verbessern die Reichweite. Aber für sehr große Distanzen ist man auf Lang- und Längstwellen angewiesen, weil sie sich entlang der Erdoberfläche ausbreiten; doch sind sie störanfällig (größere Objekte wie Bäume oder Masten wirken als Antennen), und die Übertragung hängt dementsprechend von den Ausbreitungswegen ab. Man kann diese Wellen über weite Strecken nur mit mäßiger Genauigkeit empfangen, die auch noch zeitlich schwankt.

Darum sind Flugzeuge für große Strecken mit einer Vielfalt von Navigationsgeräten ausgerüstet, die hinsichtlich Genauigkeit und Reichweite je nach Erfordernis einzusetzen und zu kombinieren sind. Daraus resultieren hohe Kosten für die Bordausrüstung wie für die Infrastruktur am Boden, anspruchsvolle Bedienung und Wartung sowie unterschiedliche Genauigkeiten.

Überdies wird die Signalleistung bei nahezu horizontaler Abstrahlung vorwiegend in den Weltraum, also nutzlos, gesendet. Die empfangene Leistung nimmt etwa quadratisch mit der Entfernung vom Sender ab; beispielsweise beträgt sie in 100 Kilometern Distanz nur noch ein Prozent derjenigen in zehn Kilometern. Das Problem ist also, daß der Nahbereich des Senders mit elektromagnetischer Strahlung unnötig stark belastet wird, während die Signale im Fernbereich unakzeptabel schwach sind.


Satellitensystem

Schon sieben Jahre nach Beginn der Raumfahrt mit dem Start der sowjetischen Funkkapsel Sputnik I begannen amerikanische Militärs, sich den irdischen Widrigkeiten zu entziehen: Sie nahmen 1964 das Satellitensystem TRANSIT in Betrieb, das auch eine zivile Nutzung zuläßt. Es besteht aus sechs Satelliten, die in etwa 1000 Kilometern Höhe in polaren Umlaufbahnen die Erde umkreisen; die Umlaufzeit beträgt 1,8 Stunden. Aus der Doppler-Verschiebung der Frequenz vermag man von einem Schiff oder Flugzeug aus den Zeitpunkt größter Annäherung an den Satelliten – und damit an den Punkt auf der Erde, über dem er gerade senkrecht steht – zu bestimmen; diese Information läßt sich mit dessen bekannter Bahn abgleichen (die scheinbare Veränderung einer empfangenen Frequenz aufgrund der relativen Bewegung zwischen Sender und Empfänger ist vom Geräusch vorbeifahrender Automobile bekannt).

Die Sowjetunion startete wenige Jahre später das vergleichbare System ZIKADA mit zwölf Satelliten. Beide erlauben eine Ortung aber nur in Zeitabständen von einer halben bis zwei Stunden mit einer Genauigkeit von rund 200 Metern, eignen sich mithin vor allem zur Positionsbestimung von Schiffen auf hoher See. Die geringe Frequenzverschiebung wird zudem schon bei kleineren nicht berücksichtigten Bewegungen des Empfangsgeräts stark verändert.

Von 1973 an entwickelten deshalb die USA das weit leistungsfähigere Global Positioning System, kurz GPS, wiederum vorwiegend für militärische Zwecke. Es besteht aus 24 Satelliten, die gleichmäßig auf sechs Bahnebenen verteilt auf kreisförmigen Orbits die Erde in jeweils zwölf Stunden umkreisen – mit rund 20000 Kilometern hoch genug, um viele der angesprochenen Schwierigkeiten zu vermeiden (Bild 2). Überwacht werden sie von einer Hauptkontrollstation in Colorado Springs und vier weiteren, auf dem Äquator gelegenen Monitor- und Telemetriestationen, die regelmäßig die gespeicherten Bahndaten aktualisieren. Die Sowjets zogen mit dem Global Navigation Satellite System – kurz GLONASS – nach, das ebenfalls über 24 solcher künstlichen Leitsterne verfügt.

Die GPS-Satelliten senden Mikrowellen im Dezimeterbereich, die sich geradlinig und fast ideal ausbreiten; sie werden in der Atmosphäre wenig gedämpft. Aufgrund der großen Bahnhöhe der Quellen können sie über weite Regionen hinweg ungehindert praktisch von Horizont zu Horizont empfangen werden. Die gerichteten Antennen strahlen nahezu alle Sendeleistung direkt erdwärts. Die Signalleistungsdichte pro Quadratmeter ist in der Ausleuchtzone fast homogen und darum sehr einfach für optimalen großräumigen Empfang auszulegen. Die Strahlung durchläuft im wesentlichen Vakuum, die Wege durch Iono- und Troposphäre sind vergleichsweise kurz und deren Einfluß gering. Wolken stören die Mikrowellen kaum, deshalb sind die Signale Tag und Nacht sowie bei jedem Wetter zu empfangen. Bei unverstelltem Horizont gibt es überall auf der Welt Sichtlinien zu mindestens vier Satelliten gleichzeitig (Bild 1).


Verfahren der Positionsbestimmung

In erster Linie wertet der Prozessor eines GPS-Empfängers die Laufzeiten der Signale aus, ermittelt also, zu welchem Zeitpunkt ein Signal von einem Satelliten ausgesandt und bei ihm eingetroffen ist. Außerdem erlaubt die Auswertung der Doppler-Frequenzverschiebung bei der Trägerwellenlänge von etwa 19 Zentimetern, die zu- oder abnehmende Entfernung vom Satelliten auf einige Millimeter genau zu bestimmen (vergleiche den Beitrag auf Seite 113).

Jeder GPS-Satellit identifiziert sich durch einen kompliziert aufgebauten digitalen Code, einer annähernd zufälligen Abfolge von Nullen und Einsen. Tatsächlich ist der Code sorgfältig strukturiert; man spricht deshalb von pseudozufällig. Diese Eigenschaft und ein spezielles Modulationsverfahren ermöglichen es, mit nur einer Trägerfrequenz von etwa 1,6 Gigahertz (Milliarden Schwingungen pro Sekunde) alle 24 Satelliten in einem Frequenzband zu codieren. Dieses charakteristische Signal, synchronisiert mit einer hochpräzisen Uhr an Bord, wird unablässig jede Millisekunde wiederholt.

Außer der Kennung sind der Trägerfrequenz noch weitere Informationen aufmoduliert: die eigenen Bahnparameter und jene der anderen GPS-Satelliten, Funktionsparameter wie solche zur Uhr, zum allgemeinen Zustand der Geräte an Bord und Zahlen zur Prüfung der Signalintegrität. Diese Informationen erhalten die Raumflugkörper von der Hauptkontrollstation. Diese verarbeitet die Meßwerte der übrigen Bodenstationen, welche die Flugbahnen verfolgen, die abgestrahlten Signale überprüfen und Abweichungen ermitteln. Auf diese Weise wird das gesamte System permanent auf aktuellem Datenstand gehalten.

Der Empfänger des Anwenders sucht zunächst nach einem Satellitensignal, indem er nacheinander die verschiedenen Codes benutzt. Hat er einen Flugkörper als direkt anpeilbar identifiziert und sich mit ihm synchronisiert, kann er die Signallaufzeit und damit die Entfernung zwischen dem Satelliten zur Zeit der Abstrahlung und dem eigenen Standort zur Zeit des Empfangs berechnen (als Ausbreitungsgeschwindigkeit kann die des Lichtes im Vakuum angenommen werden). Der Empfänger muß sich demnach auf einer Kugeloberfläche befinden, deren Mittelpunkt der Satelliten-Sendeort und dessen Radius gleich der ermittelten Distanz ist (Bild 3 links).

Verfährt der Anwender in gleicher Weise mit dem Signal eines zweiten Satelliten, ergibt sich aus dem Schnitt beider Kugeloberflächen ein Kreis, auf dem er sich befinden muß (Bild 3 Mitte); mit einem dritten Satelliten bleiben schließlich nur noch zwei mögliche Punkte übrig (Bild 3 rechts). Davon liegt aber einer im allgemeinen nicht auf der Erdoberfläche, bewegt sich zu schnell oder entspricht nicht zusätzlichen Informationen über die eigene Position, etwa der über die Höhe bei Fahrt auf dem Meer, so daß mit dem anderen Punkt die Ortskoordinaten festgelegt sind. Diese Bestimmung gelingt dann optimal, wenn die Satelliten so zueinander stehen, daß die Kugeloberflächen sich annähernd rechtwinklig schneiden.


Fehler und Korrektur

Bei einer Signalgeschwindigkeit von 300000 Kilometern pro Sekunde erzeugen ungenaue Angaben über die Sende- oder Empfangszeit beachtliche Meßfehler – in einer millionstel Sekunde legen die elektromagnetischen Wellen bereits 300 Meter zurück. In den Satelliten sind deshalb Atomuhren installiert, die über die Bodenstationen fortlaufend überwacht und korrigiert werden, so daß die zeitliche Abweichung zwischen den Satellitenuhren und der von der Kontrollstation vorgegebenen GPS-Zeit allenfalls fünf milliardstel Sekunden ausmacht. Zur Sicherheit gegen technische Defekte baut man sogar jeweils drei solcher Uhren ein.

Bei den GPS-Empfängern kann man nicht so aufwendig verfahren, denn sie sollen – zumindest für private Nutzung – nicht wesentlich teurer als ein Radio sein. Derzeit sind rund eine Million zu Lande, zu Wasser und in der Luft in Gebrauch, und langfristig wird wohl nicht nur jedes Schiff und Flugzeug, sondern auch jedes teurere Automobil und anspruchsvolle schnurlose Telephone damit ausgestattet sein. Auch wären Atomuhren viel zu groß und zu schwer. Übliche Geräte für den Privatmann haben die Abmessungen eines Handy, die gegenwärtig kleinsten sind nur mehr kreditkartengroß und lassen sich in einen tragbaren PC einstecken. Man spricht schon davon, komplette Geräte auf einem einzigen Chip zu produzieren.

Verglichen mit der Satellitenuhr geht die weit einfachere des Empfängers ungenau, zum Zeitpunkt der Messung also um einen bestimmten Wert vor oder nach. Wie ist dann eine Synchronisation zu erreichen? Der Unterschied der angezeigten Zeit ist ebenso eine Unbekannte wie eine der drei Standortkoordinaten, läßt sich also mittels eines vierten Satellitensignals bestimmen (Bild 1).

Trotz des militärischen Charakters von GPS – das System war eine wesentliche Komponente der Zielführung im Golfkrieg 1991 – wurde von Anfang an eine zivile Nutzung vorgesehen, allerdings mit einer höheren Fehlertoleranz von etwa 30 bis 40 Metern (die Signale für militärisch genutzte Empfänger haben eine höhere Auflösung und reduzieren die Ortungsfehler auf weniger als fünf Meter). Mit speziellen Verfahren wie der erwähnten Auswertung des Doppler-Effekts vermochten Wissenschaftler aber sogar eine für geodätische Aufgaben erforderliche Genauigkeit von einigen Millimetern zu erreichen. Deshalb verschlechterten die amerikanischen Militärs künstlich das Signal, unter anderem durch ungenaue Angaben zur Borduhr-Zeit und zur Bahn der Satelliten; diese Verfälschung wird als selective availability (SA) bezeichnet. Damit reduzierte sich die zivil erzielbare Präzision auf einen Radius von 100 Metern. Aber auch dagegen fand sich Abhilfe – das differentielle GPS (DGPS).

Prinzipiell entstehen Meßfehler durch ungenau bestimmte Satellitenpositionen, Abweichungen der Uhren im Satelliten von der festgesetzten GPS-Zeit und Gangungenauigkeiten der Empfängeruhr, ungünstige Anordnung der gerade sichtbaren Satelliten, Verzögerungen der Signallaufzeit in der Atmosphäre, Reflexionen des Signals sowie den künstlich aufgeprägten Fehler (Bild 4). Dabei verursachen mehrere dieser Faktoren bei zwei Empfängern mit geringem Abstand die gleichen Abweichungen. Steht nun einer davon als Referenz auf einer bekannten Position, vermag man Korrekturen für die Entfernungsmessung zu den einzelnen Satelliten anzugeben und die Werte des zweiten Geräts von 100 Meter Genauigkeit auf weniger als zehn Meter zu verbessern.

Die differentielle Methode wurde in der Erdvermessung bei der Datennachbearbeitung schon seit langem angewandt. Zur Navigation benötigt man aber die Position in Echtzeit. Die Korrekturdaten müssen also von der Referenzstation ohne nennenswerten Zeitverzug zum Navigationsempfänger gelangen. Dies geschieht derzeit über terrestrische Sender, die Korrekturdaten in einem einheitlichen Protokoll übermitteln; künftig will man auch geostationäre Satelliten dazu nutzen (siehe Seite 117).

Andere Navigationsmittel werden durch GPS allerdings nicht ersetzt, sondern ergänzt und vice versa. Gerade bei den jüngsten Entwicklungen, der Anwendung in der Verkehrsführung von Automobilen, kann man nicht auf die Protokollierung des Kurses verzichten. Die sich geradlinig ausbreitenden Signale werden durch hohe Gebäude, Brücken und dichte Bäume abgeschattet; auch in Tunneln sind sie nicht zu empfangen. Solche kurzfristigen Ausfälle müssen mit Koppel- oder einfachen Inertialnavigationssystemen überbrückt werden. Der erforderliche Aufwand rechtfertigt sich durch das notwendige Maß an Sicherheit und Genauigkeit.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1996, Seite 102
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