Wie GPS funktioniert
GPS ist so allgegenwärtig, weil das Konzept so einfach ist. Jeder GPS-Satellit ist im Wesentlichen eine extrem genaue Uhr, die die genaue Zeit an ihrem Standort überträgt. Die Satelliten geben auch die Position aller anderen GPS-Satelliten in der Umlaufbahn an. Sobald der GPS-Empfänger den Standort des Satelliten und die Uhrzeit kennt, kann er die genaue Entfernung zum Satelliten ermitteln. Wenn ein Empfänger die Zeit von mindestens drei Satelliten vergleichen kann, ist er in der Lage, seine eigene Position auf der Erdoberfläche zu bestimmen.
Je mehr Satelliten, desto besser die Genauigkeit. Wenn mindestens vier Satelliten zur Verfügung stehen, kann der GPS-Empfänger seine eigene Höhe über der Erdoberfläche bestimmen. Dazu vergleicht er die Zeiten, zu denen das Zeitsignal die einzelnen Satelliten verlassen hat, und kann anhand dieser Zeiten die Entfernung bestimmen, da sich die Signale mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.Die derzeitige GPS-Technologie kann Standorte mit einer Genauigkeit von etwa einem Meter bestimmen. Die Genauigkeit wird durch Schwankungen der Lichtgeschwindigkeit aufgrund von Veränderungen der Luftdichte und durch Interferenzen mit der Ionosphäre der Erde begrenzt.
Diese Einschränkungen werden sich ändern, wenn eine neue Runde von GPS-Satelliten, bekannt als GPS III, ihren Platz in der GPS-Konstellation einnehmen wird.
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– Auf, auf und davon
Die neuen GPS-Satelliten haben gerade erst begonnen, ihre Plätze einzunehmen. Der erste Start erfolgte als Nutzlast an Bord einer SpaceX Falcon 9-Rakete am 23. Dezember 2018. Die GPS-III-Satelliten werden noch bis etwa 2025 gestartet werden.
Die neuen GPS-Satelliten können aufgrund neuer Atomuhren an Bord jedes Satelliten eine bessere Positionsgenauigkeit bieten. Da sie über eine höhere Sendeleistung verfügen, ist der GPS-Empfang zuverlässiger, selbst in Gebäuden und in dicht besiedelten Gebieten. Darüber hinaus sind die Signale resistenter gegen Störungen. Zu den weiteren Verbesserungen gehören die ersten Anpassungen, die den Einsatz von GPS in der Weltraumnavigation verbessern.
Ja, Weltraumnavigation.
– Fallbeispiel Weltraum
GPS wurde zwar für die terrestrische Navigation entwickelt, aber es hat sich herausgestellt, dass dieselben GPS-Signale auch von Raumfahrzeugen genutzt werden können, die sich auf dem Mond und auf dem frühen Transit zum und vom Mars befinden.
Während die GPS-Signale direkt auf die Erde gestrahlt werden, entweichen einige dieser Funksignale in den Weltraum. “Wir leben von den Überbleibseln”, sagt Frank Bauer, pensionierter Abteilungsleiter für Weltraumnavigation bei der NASA. “Wir leben von den Überläufen des Hauptstrahls und den Nebenkeulen.” Bauer arbeitet noch immer als Berater für die NASA.
Bauers Team hat herausgefunden, wie man diese “Überbleibsel” nutzen kann. “Wir haben einen speziellen GPS-Empfänger entwickelt”, sagt Bauer und erklärt, dass ein Standard-GPS-Empfänger im Weltraum nicht funktionieren würde. Die NASA verwendet GPS im Weltraum derzeit für die Steuerung des Andockens von Nutzlasten für die Internationale Raumstation, für die genaue Positionierung der GOES-Wettersatelliten sowie für eine Reihe von wissenschaftlichen Satelliten.
“Die NASA hat bereits bewiesen, dass man GPS auf halbem Weg zum Mond einsetzen kann”, sagt Bauer und fügt hinzu, dass die NASA bereits an Empfängern und Antennen für den Einsatz auf und um den Mond arbeitet. “Wir arbeiten mit den Leuten vom Johnson Space Center an Möglichkeiten für das Lunar Gateway”, fügt er hinzu.
Die NASA arbeitet auch an der internationalen Kompatibilität von Ortungssatelliten. Durch ein Komitee der Vereinten Nationen wurden gemeinsame Definitionen für Signale von Positionierungssatelliten aus den USA, Europa, Russland, China, Japan und Indien entwickelt. “Wir versuchen, sie alle für den Einsatz im Weltraum interoperabel zu machen”, sagt Bauer.
Sobald die Interoperabilität erreicht ist, werden die Empfänger tatsächlich Zugang zu allen Ortungssatelliten haben, was wiederum zu einer höheren Genauigkeit führen wird. Das Ergebnis: Wo früher eine Genauigkeit von einem Meter möglich war, wird es jetzt weniger als das sein. Sie könnten Ihre Position bis auf wenige Zentimeter genau kennen.
Darüber hinaus werden die neuen Signale der GPS-III-Satelliten für mehr Genauigkeit sorgen, indem sie den Nutzern mehr Positionssignale und Signale mit höherer Genauigkeit zur Verfügung stellen.
– GPS in Gefahr
Doch bevor dies geschehen kann, muss ein neues Bodenkontrollsystem namens OCX voll einsatzfähig sein, und das wird nicht vor irgendwann im Jahr 2021 der Fall sein.
Verzögerungen beim Betriebskontrollsystem sind nur eines der vielen Risiken, die das Versprechen des GPS gefährden. Es besteht auch die Möglichkeit, dass GPS durch Cyberangriffe, ausländische Regierungen oder sogar durch bürokratische Querelen außer Betrieb gesetzt wird.
“Akquisitionen neigen dazu, ziemlich unruhig zu sein”, sagt Cristina Chaplain, Direktorin für Vertragsabschlüsse und nationale Sicherheitsakquisitionen beim U.S. Government Accountability Office. Chaplain beaufsichtigt das GPS-Programm für den US-Kongress. Es gibt Managementprobleme und Verzögerungen bei der Herstellung der Satelliten, sagt sie. Außerdem muss die US-Luftwaffe in der Lage sein, eine Mindestanzahl von Satelliten zu unterhalten, und sich bei der Planung von Anschaffungen darauf verlassen, dass die Satelliten ihre Lebensdauer überdauern.
Aber es gibt auch noch einen zweiten Bereich, der Anlass zur Sorge gibt. “Der zweite Bereich ist, dass der Weltraum zu einem gefährlichen Ort wird”, sagt Chaplain. Andere Länder könnten versuchen, GPS-Satelliten zu beschädigen oder zu zerstören. Sowohl Indien als auch China haben bereits bewiesen, dass sie in der Lage sind, Satelliten in der Umlaufbahn auszuschalten, sagt sie.
Eine noch unmittelbarere Bedrohung ist jedoch das Stören von GPS-Signalen, wofür kein Angriff durch eine andere Regierung erforderlich ist, so Chaplain. Tatsächlich wurden kürzlich Flüge am Flughafen Newark unterbrochen, als Lastwagenfahrer auf dem New Jersey Turnpike handelsübliche GPS-Störsender einsetzten, um die GPS-Empfänger zu verwirren, mit denen sie ihre Fahrzeuge verfolgen.
Chaplain sagt, dass die Antistörungsfunktionen der GPS-III-Satelliten dem Militär zur Verfügung stehen werden, sobald das OCX-Bodenkontrollsystem betriebsbereit ist. Sie geht jedoch davon aus, dass es noch ein Jahrzehnt dauern wird, bis dies Realität wird, da die entsprechenden Empfänger noch auf Hunderten von Waffenplattformen installiert werden müssen. “Es gibt noch andere Dinge, die man im Weltraum einsetzen kann und die die Daten oder die Satelliten stören”, sagt Chaplain. “Es ist eine ernstzunehmende Bedrohung für das Verteidigungsministerium, um daran zu arbeiten.” (Anmerkung: Der Entstörungsmechanismus ist für militärische Zwecke bestimmt).