GNSS-Konstellationen sind koordinierte Gruppen von Satelliten, die zusammenarbeiten, um Nutzern überall auf der Erde Positions-, Navigations- und Zeitgebungsdienste (PNT) bereitzustellen. Diese Konstellationen bilden das Rückgrat moderner Navigationssysteme und ermöglichen alles von der Standortverfolgung per Smartphone bis hin zur autonomen Fahrzeugführung, Luftfahrt, Schifffahrt, Präzisionslandwirtschaft und wissenschaftlichen Forschung.
Eine GNSS-Konstellation besteht typischerweise aus einer bestimmten Anzahl von Satelliten, die die Erde auf sorgfältig geplanten Umlaufbahnen umkreisen. Diese Satelliten senden mit einem Zeitstempel versehene Funksignale aus dem Weltraum. Ein GNSS-Empfänger—wie der in Ihrem Smartphone—empfängt diese Signale, berechnet die Entfernung zu jedem Satelliten auf der Grundlage der Signallaufzeit und bestimmt seine Position durch Trilateration. Für diese Berechnung benötigt ein Empfänger im Allgemeinen Signale von mindestens vier Satelliten, um Breitengrad, Längengrad, Höhe und Taktfehler zu berücksichtigen.
Heute verfügbare Konstellationen
Es gibt mehrere wichtige GNSS-Konstellationen, die derzeit in Betrieb sind:
- GPS (Global Positioning System) – GPS wird von den Vereinigten Staaten betrieben und war das erste voll funktionsfähige GNSS. Es besteht aus mindestens 24 Satelliten, die in einer mittleren Erdumlaufbahn (MEO) in einer Höhe von etwa 20.200 km kreisen. Es wurde in den 1990er Jahren in Betrieb genommen und wird von Nutzern auf der ganzen Welt weiterhin genutzt.
- GLONASS – GLONASS wird von Russland betrieben und ist ebenfalls eine Konstellation mit 24 Satelliten, die in der MEO-Umlaufbahn operieren. GLONASS bietet globale Abdeckung und arbeitet oft mit GPS zusammen, um die Leistung zu verbessern, insbesondere in Regionen mit hohen Breitengraden, wo seine Orbitkonfiguration einen Vorteil bietet.
- Galileo – Dies ist die GNSS-Konstellation der Europäischen Union, die von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) entwickelt wurde. Sie bietet hochpräzise Positionierung und ist so konzipiert, dass sie mit GPS und GLONASS zusammenarbeitet. Galileo bietet einzigartige Funktionen wie verschlüsselte Dienste für die staatliche Nutzung und offene Dienste für die Öffentlichkeit, mit einer Positionierungsgenauigkeit von bis zu einem Zentimeter in einigen Anwendungen.
- BeiDou – Chinas GNSS, das vom China Satellite Navigation Office entwickelt wurde, hat sich von einem regionalen System zu einem globalen System entwickelt. Die vollständige Konstellation wurde im Jahr 2020 fertiggestellt und bietet nun eine weltweite Abdeckung mit über 30 Satelliten in MEO-, geostationären und geneigten geosynchronen Umlaufbahnen.
Wie funktionieren GNSS ?
Ingenieure entwickeln GNSS-Konstellationen so, dass sie eine kontinuierliche Abdeckung bieten, indem sie Satelliten so verteilen, dass Nutzer von jedem Punkt der Erde aus immer mehrere sehen können. Dies erfordert eine sorgfältige Planung der Orbitalparameter wie Höhe, Neigung und Abstand. Die meisten Konstellationen nutzen die mittlere Erdumlaufbahn, da sie ein gutes Gleichgewicht zwischen Abdeckungsbereich, Signalstärke und Satellitenlebensdauer bietet.
Die Verwendung mehrerer GNSS-Konstellationen verbessert die Genauigkeit und erhöht die Zuverlässigkeit. Geräte, die Signale von GPS, GLONASS, Galileo und BeiDou gleichzeitig empfangen können—bekannt als Multi-GNSS-Empfänger—können Positionen schneller und präziser berechnen, insbesondere in schwierigen Umgebungen wie städtischen Schluchten, Wäldern oder Bergregionen.
GNSS-Konstellationen umfassen auch Bodenkontrollstationen und Überwachungsnetzwerke, die Satelliten kontinuierlich verfolgen, aktualisierte Daten hochladen und die Systemintegrität aufrechterhalten. Diese Netzwerke gewährleisten eine genaue Zeitmessung und Positionierung und erkennen Anomalien in der Satellitenleistung.
Neben den grundlegenden PNT-Funktionen unterstützen moderne GNSS-Konstellationen auch erweiterte Funktionen. Dazu gehören Augmentationssysteme wie WAAS (USA), EGNOS (Europa) und MSAS (Japan), die die Genauigkeit und Integrität für Anwendungen wie die Luftfahrt verbessern. Einige Systeme bieten auch Such- und Rettungsfunktionen (SAR), um Personen in Notlagen zu orten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass GNSS-Konstellationen Netzwerke von Satelliten und Bodeninfrastruktur nutzen, um die globale Positionierung und Navigation zu ermöglichen. Durch die Verwendung einer Kombination aus mehreren Systemen profitieren die Nutzer von verbesserter Genauigkeit, Robustheit und Ausfallsicherheit, was GNSS für unzählige moderne Technologien und Industrien unerlässlich macht.