Satellitennavigationssysteme

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Themenstellung und Relevanz der Themenstellung
1.2 Formulierung der Forschungsfragen
1.3 Methodische Vorgehensweise
1.4 Aufbau der Arbeit
1.5 Stand der Literatur

2 GPS
2.1 Entwicklung
2.2 Architektur & Funktionsweise
2.2.1 Raumsegment
2.2.2 Bodensegment (Kontrollsegment)
2.2.3 Nutzersegment
2.3 Dienste und Features
2.3.1 Standard Positioning Service (SPS-Einfrequenzdienst)
2.3.2 Precision Positioning Service (PPS-Zweifrequenzdienst)
2.4 Evaluation der Technologie und der Produktlandschaft
2.4.1 Autonavigationssysteme
2.4.2 Mauterhebung
2.4.3 Precision Farming
2.4.4 Tracking and Tracing
2.4.5 Raumfahrt
2.4.6 Indoor Navigation
2.4.7 Militärische Nutzung
2.5 Weiterentwicklung und Ausblick

3 GALILEO
3.1 Entwicklung / Beschreibung
3.1.1 Wissenschaftlicher und technischer Mehrwert von GALILEO
3.2 Grundlagen der Technologie
3.2.1 Allgemeine Technische Anforderungen
3.3 Architektur & Funktionsweise
3.3.1 Raumsegment
3.3.2 Bodensegment
3.3.3 Nutzersegment
3.4 Dienste und Features
3.5 Evaluation der Technologie und der Produktlandschaft
3.5.1 Personennavigation
3.5.2 Umweltschutz und -management
3.5.3 Finanzsektor
3.6 Weiterentwicklung und Ausblick
3.6.1 Zeitplan
3.6.2 Ausblick DLR - Raumfahrtmanagement
3.6.3 Ausblick Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung
3.6.4 Zusammenfassung und Ausblick

4 Konkurrenz oder Koexistenz
4.1 Die Entwicklung
4.2 NAVWAR

5 Conclusio

6 Literaturverzeichnis

Darstellungsverzeichnis

Darstellung 1: Segmente von GPS

Darstellung 2: Umlaufbahnen der GPS-Satelliten

Darstellung 3: Bodensegment (Kontrollsegment)

Darstellung 4: Systemarchitektur von GALILEO

Darstellung 5: Funktionsschema von SAR-COSPAS-SARSAT

Darstellung 6: Kennwerte der 10 Signale von GALILEO

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abstract in Deutsch

Das Ziel der Arbeit ist es, anhand gängiger facheinschlägiger Literatur und relevanter Webseiten theoretisch die Satellitennavigationssysteme GPS und GALILEO mit allen Details – Komponenten, Frequenzen, Services, Einsatzgebiete und Weiterentwicklung – zu erläutern. Diese detaillierten Beschreibungen dienen als Basis zur Beantwortung der gestellten Forschungsfrage: „Ist GALILEO die Entwicklung eines Konkurrenzproduktes von GPS oder ist eine vernünftige Koexistenz beider Systeme möglich?“

Ein wichtiger Aspekt in dieser Arbeit ist, dass sich das System GALILEO erst im Testbetrieb befindet und GPS bereits seit mehreren Jahrzehnten operativ im Einsatz ist. Für die Wirtschaft und auch die Benutzer spielt die technische Weiterentwicklung im Laufe der Zeit eine große Rolle. Die Erweiterung der Frequenzbänder und die dadurch größere Produktvielfalt wird in Zukunft die Produktlandschaft der Satellitennavigation revolutionieren.

Abstract in Englisch

The aim of this bachelor thesis is the in-depth analysis of the satellite navigation systems GPS and GALILEO related to components, frequencies, range of services, fields of application as well as further development. The research is based on currently relevant literature and internet content. The detailed approach outlined above shall serve as basis to provide a sufficient answer to the research question: "Does GALILEO represent a competitive product towards GPS or will it be possible to observe a reasonable coexistence between both systems?".

Major aspect of this bachelor thesis is the fact that GALILEO is still in the testing phase while GPS looks at decades of full operation. In the course of time the technological development will play an important role for both the economy and the end-users. The extension of frequency bands and consequently the greater product variety may considerably revolutionize future satellite navigation.

1 Einleitung

1.1 Themenstellung und Relevanz der Themenstellung

GPS ist ein vom Militär der USA entwickeltes und kontrolliertes Satellitennavigationssystem welches weltweit, jedoch kostenpflichtig, verwendet werden kann. Das System steht unter ständiger Kontrolle und kann bei Bedarf nur für militärische Zwecke eingesetzt werden und im Zuge von Notfällen ausgeschaltet werden.^[1]

GALILEO ist ein von der Europäischen Union beschlossenes und beauftragtes Satellitennavigationssystem welches der Unabhängigkeit der EU von den Vereinigten Staaten dienen soll. Es sollte zuerst ausschließlich zivilen Zwecken dienen, jedoch wurde in weiterer Folge beschlossen, dass das System auch zur Unterstützung der europäischen Sicherheitspolitik dienen soll.^[2]

Ein wichtiger Aspekt in dieser Arbeit ist, dass sich das System GALILEO erst im Testbetrieb befindet und GPS bereits seit mehreren Jahrzehnten operativ im Einsatz ist. Für die Wirtschaft und auch die BenutzerInnen spielt die technische Weiterentwicklung von Komponenten im Laufe der Zeit eine große Rolle. Die Erweiterung der Frequenzbänder und die dadurch größere Produktvielfalt, wie kombinierte GPS und GALILEO Empfänger für den Personenverkehr, neue auf GALILEO basierende Mautsysteme für den LKW-Verkehr, etc., kann in Zukunft die Produktlandschaft der Satellitennavigation revolutionieren. Diese Revolution kann durch die Konkurrenz bzw. die Koexistenz der beiden Produkte unterschiedlich beeinflusst werden.

In weiterer Folge, ist die höhere Genauigkeit von GALILEO aufgrund einer höheren Anzahl von Satelliten und der weiterentwickelten Technologie zu berücksichtigen. Eine Zusammenarbeit der beiden Satellitennavigationssysteme GPS und GALILEO kann die Zuverlässigkeit der Ortung erhöhen und ebenfalls die Genauigkeit der Positionsbestimmung steigern.

1.2 Formulierung der Forschungsfragen

Die Entwicklung des europäischen Satellitennavigationssystems GALILEO ist der primäre Auslöser für die Formulierung der Forschungsfragen. Derzeit existieren mehrere globale Satellitennavigationssysteme, wobei das System GPS heraussticht. GPS ist ein weltweit genutztes System. Nun stellen sich die Fragen, warum wird ein eigenes System entwickelt und wo sind die Unterschiede zwischen den beiden Systemen? Anhand dieser Überlegungen wurden folgende Forschungsfragen formuliert:

Forschungsfrage 1:

Ist GALILEO die Entwicklung eines Konkurrenzproduktes von GPS oder ist eine vernünftige Koexistenz beider Systeme möglich?

Forschungsfrage 2:

Worin unterscheiden sich die Systeme GPS und GALILEO. Haben die Systeme unterschiedliche Aufgaben bzw. wurden diese für unterschiedliche Benutzergruppen konzipiert?

1.3 Methodische Vorgehensweise

Die Methodik der vorliegenden Bachelorarbeit stützt sich auf die Recherche und inhaltliche Analyse von Basisliteratur und einschlägigen Internetquellen.

1.4 Aufbau der Arbeit

Die vorliegende Bachelorarbeit ist in drei Kapitel unterteilt. Im ersten Kapitel wird ein Überblick über das Satellitennavigationssystem GPS gegeben um die Funktionsweise und die Verwendung des Systems zu verstehen. Hier wird auf die Entwicklung, die Architektur und Funktionsweise, die Dienste und Features, die Evaluation der Technologie und Produktlandschaft und die Weiterentwicklung des Systems eingegangen. Im darauffolgenden Kapitel wird der Überblick über das Satellitennavigationssystem GALILEO gegeben. Es wird auf die gleichen Aspekte des Systems wie bei GPS eingegangen um die Funktionsweise und die Verwendung des Systems zu erläutern. Im dritten Kapitel wird auf die Ziele und Absichten der Betreiber von GPS (USA) und GALILEO (EU) eingegangen. Dieses Kapitel beschreibt wie es von einem seitens der USA vermuteten Konkurrenzkampf zu einer vernünftigen Koexistenz gekommen ist. Im Anschluss werden die wichtigsten Ergebnisse der Arbeit zusammengefasst um die formulierten Forschungsfragen zu beantworten.

1.5 Stand der Literatur

In dieser Arbeit werden nur Primärquellen verwendet. Das jeweilige Erscheinungsjahr kann dem Literaturverzeichnis entnommen werden. Das älteste Werk stammt aus dem Jahr 1999. Jedoch stellt dies kein Problem dar, da die Grundlagen des Satellitennavigationssystems GPS aus den 1990er Jahren und die Basisgrundlagen der Satellitennavigation aus den späten 1950er Jahren stammen. Aus diesem Grund ist der Stand der verwendeten Literatur als aktuell zu betrachten.

Die gängigen Werke von M. Bauer „Vermessung und Ortung mit Satelliten“, W. Mansfeld „Satellitenortung und Navigation. Grundlagen, Wirkungsweise und Anwendung globaler Satellitennavigationssysteme“, H. Dodel / D. Häupler „Satellitennavigation“ bieten Grundlageninformationen zur Satellitennavigation und detailliertere technische Informationen zum Aufbau und zur Verwendung der Systeme GPS und GALILEO. Diese Basiswerke werden unterstützt von einigen Pressemeldungen der EU, Webseiten der Systeme GPS und GALILEO der jeweiligen Regierungen und Luftfahrtbehörden. Diese Zusatzinformationen liefern Zeitpläne, aktuelle Entwicklungen und Informationen über Aufgaben der Systeme und die dafür vorgesehenen Nutzergruppen.

2 GPS

2.1 Entwicklung

Die Geschichte der Satellitenortung beginnt in den 1950er Jahren. Die Sowjetunion beförderte ihren ersten Satelliten, Sputnik, am 4. Oktober 1957 in die Erdumlaufbahn. Sputnik wurde oft als Begründer der Kommunikationssatelliten gefeiert obwohl er nur ein Rundfunksatellit war. StudentInnen und AssistentInnen der John Hopkins University in Baltimore (USA) vermaßen die Bahnperioden und versuchten die unbekannten Bahnparameter mittels Triangulation (Bahnperiode, drei Bodenstationen und Dopplereffekt – Bewegen sich der Sender und der Empfänger der Welle gegeneinander so werden die Wellen gestaucht oder gezerrt. Bei Annäherung gelangen die Signale auf höhere Frequenz, bei Auseinanderbewegung auf tiefere Frequenz zum Empfänger^[3]) zu errechnen bzw. zu simulieren. Daraufhin folgte der Umkehrschluss der John Hopkins University zur Triangulation. Es wurde ein Modell entwickelt indem mit drei Satelliten mit bekannten Bahndaten die unbekannten Koordinaten eines Punktes auf der Erde bestimmt werden können. Es wurden Transit-Satelliten gebaut und erfolgreich an die Navy der USA verkauft, welche dieses System bis in die 1990er Jahren weiterhin nutzte. Danach erfolgte die Ablöse durch das Satellitennavigationssystem GPS.^[4]

Die Satellitennavigation setzt sich aus vier Säulen zusammen. Die drei Säulen Kommunikation, Rundfunk und Ortung/Navigation liegen eng beieinander und die vierte Säule der Satellitennutzung dient der Beobachtung. Alle vier Säulen basieren auf der Informationstechnik, der Logistik und der Ortung.^[5] Kurz erklärt bedeutet das nach Dodel / Häupler:

„Der Kommunikationsteilnehmer muss geortet werden können, die Navigation basiert auf dem aktuellen Standort und dem Zielort, und die Beobachtung und Aufklärung sind nur dann nützlich wenn die beobachteten Ziele geortet sind.“^[6]

Aufgrund der Entwicklungen der UdSSR und der John Hopkins Universität waren in den frühen 1960ern die ersten Satellitennavigationssysteme, Transit der Navy der USA und ZIKADA der UdSSR-Marine im Einsatz. Die Systeme wurden damals gleicherweise trivial konzipiert. Durch die Auswertung des Dopplereffekts der an Bord von 6 Satelliten generierten und abgestrahlten Signale konnte eine beliebige Position auf der Erde bestimmt werden. Eine genaue Ortung für einen bewegten Nutzer in Echtzeit konnte so natürlich nicht verwirklicht werden. Daher wurden die Systeme weiter entwickelt und es entstand in den USA das System NAVSTAR-GPS (Navigation Satellites with Timing and Ranging - Global Positioning System). Das Verteidigungsministerium der UdSSR kopierte das System und somit entstand die sowjetische Variante GLONASS (Globalnaja nawigazionnaja sputnikowaja sistema).^[7]

Nach Bauer wurde GPS mit folgenden Zielen konzipiert und entwickelt:

„Einem GPS-Nutzer – egal ob in Ruhe oder in Bewegung – sollen extrem genaue Informationen über seine (dreidimensionale) Position, seine Geschwindigkeit sowie über die Zeit überall auf oder nahe der Erde zur Verfügung gestellt werden. Diese Informationen soll das System ständig liefern, unabhängig von Wetterbedingungen“.^[8]

In der Zeit von 1974 bis 1995 fand der Ausbau von GPS in drei Phasen statt:^[9]

- 1974 – 1979: 1. Überprüfungsphase:
- In dieser Phase wurde überprüft ob das ursprüngliche Konzept geeignet ist und das System den gewünschten Anforderungen entspricht.
- 1979 - 1985: 2. Überprüfungsphase:
- Konzentration auf die technische Entwicklung des Systems
- 1985 – 1995: Ausbauphase:
- Satellitenstarts Block I (1978 -1985):
- Erster Satellit 22.02.1978
- Bis Jahresende 1985 wurden elf weitere Satelliten gestartet.
- Satellitenstarts Block II (1989- 1990)
- Bis Jahresende 1990 wurden weitere 9 Satelliten gestartet.
- Vollausbau: Die US-Air Force gab bekannt, dass das System GPS alle Voraussetzungen für den Echtbetrieb erfüllt.

Nach 1990 wurden weitere 50 Satellitenstarts durchgeführt. Die Lebensdauer der Satelliten beträgt zwischen 12 und 167 Monaten. Nach Ablauf der Lebensdauer werden die meisten Satelliten kontrolliert zum Absturz gebracht. Die restlichen Satelliten gelten als Weltraumschrott.^[10]

Seit 2005 wird die Entwicklung des GPS unter dem Titel „GPS Modernization“ weitergeführt. Man kann daher zwischen „legacy GPS“ (Altsystem) und „modernized GPS“ (weiterentwickeltes System) unterscheiden.^[11]

2.2 Architektur & Funktionsweise

Das „Global Positioning System“ setzt sich aus den folgenden drei Segmenten zusammen welche in weiterer Folge detaillierter beschrieben werden:^[12]

- Raumsegment
- Bodensegment
- Nutzersegment

Die technische Abgrenzung ist Abbildung 1 zu entnehmen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darstellung 1 : Segmente von GPS^[13]

[...]

^[1] Vgl. NCO (2012), online.

^[2] Vgl. Mansfeld (2010), S. 241 f.

^[3] Vgl. Alonso (2000) S. 549 f.

^[4] Vgl. Dodel, H. / Häupler, D. (2010) S. 2.

^[5] Vgl. Dodel, H. / Häupler, D. (2010) S. 2.

^[6] Dodel, H. / Häupler, D. (2010) S. 2.

^[7] Vgl. Dodel, H. / Häupler, D. (2010) S. 6.

^[8] Bauer (2011), S. 227.

^[9] Vgl. Bauer (2011), S. 227.

^[10] Vgl. Dodel (2004), S. 182 ff.

^[11] Vgl. National Coordination Office (2012), online.

^[12] Vgl. Mansfeld (2010), S. 109.

^[13] Vgl. Mansfeld (2010), S. 110.