Satelliten-Navigations-System GNSS (Global Navigation Satellite System)

Geschichte

Bereits vor mehr als 43 Jahren, am 22. Februar 1978 wurde von den United States Space Forces der erste Satellite des Navstar GPS-System ins Orbit gebracht und damit eine neue Zeitrechnung der Positions-Bestimmung eingeläutet. Ursprünglich rein für militärische Zwecke konzipiert ist die zivile Nutzung durch eine Order vom damaligen US-Präsident Ronald Reagan nach einem Flugzeug-Unglück einer Korean Air Maschine in den 1980ern erlaubt worden. Seit 1991 das GPS in Vollbetrieb gegangen ist, sind die vorherigen Positionsbestimmungs-Systeme wie SatNav (Hier wurde durch den ca. 10 Minuten Überflug von Transit-Satelliten mehrmals am Tag eine Position ermittelt) oder LoranC (Funkpeilung von verschiedenen Sendestationen) komplett überholt worden und sind fast vollständig verschwunden.

Funktionsweise

Das aus aktuell 31 aktiven Satelliten (es sind bisher 75 Satelliten platziert worden) bestehende Netzwerk arbeitet auf 1575,42 MHz (im Zivilbereich) und liefert eine Genauigkeit von wenigen Metern. Jeder Satellit sendet laufend seine Daten und über eine Lautzeit-Berechnung von mindestens 3 Satelliten ist die Positionsbestimmung möglich. Da die Frequenz der Satelliten relativ nah bei der Frequenz von Radaranlagen (X-Band) liegt, muss bei der Installation einer GPS-Antenne darauf geachten werden, dass diese nicht unmittelbar im Radar-Sende-Kegel platziert wird. Große Radaranlagen können die GPS-Antennen beschädigen!

 

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Neben dem Global-Positioning-System (1 = Navstar) der USA sind heute auch das russische Global Navigation Satellite System (4 = GLONASS), das Chinesische BeiDou (3 = BDS) und das EU-System (2 = Galileo) in Vollbetrieb. Das Japanische Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) basiert auf den US-Satelliten und wird die Genauigkeit weiter verbessern, wenn es 2023 fertiggestellt ist. Mit dem im Aufbau befindlichen indischen System Indian-Regional-Navigation-Satellite-System (IRNSS) soll in Zukunft auch global funktionieren.

 

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Die weltweite Abdeckung jedes Systems kann mit einer Konstellation von 18 – 30 MEO (Medium Earth Orbit) Satelliten die auf verschiedene Orbit Ebenen aufgeteilt wird. Beim aktuellen System variiert dies, wobei eine Neigung von >50° und einer Periode von rund 12 Stunden auf 20200 Km Höhe verwendet werden.

 

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Mit den Satelliten basierten Augmentation Systemen (SBAS) wird zusätzlich zu dem bestehenden GNSS eine regionale Differentialkorrektur gesendet, welche die Genauigkeit in diesen Gebieten weiter verbessert. Im nachfolgenden Bild sehen Sie die verschiedenen Systeme die vom Kartenplotter/GPS (im Beispiel Raymarine Axiom) verwendet werden.

 

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Einschränkungen

GPS-Empfänger benötigen „freie Sicht“ zu den Satelliten. Gebäude, Aufbauten oder Metalle in direkter Sicht zum Satelliten (dieser ist natürlich nicht mit freiem Auge sichtbar) verhindern den Empfang der Satelliten-Signale und damit die Positionsberechnung. Moderne GPS-Antennen wie z.B. die Raymarine Raystar RS150 oder die Axiom-Kartenplotter und die Raymarine Funkgeräte können aber problemlos unter Deck bei GFK-Booten und Yachten montiert werden. Diese Antennen sind so empfindlich dass auch die durch GFK abgeschwächten Signale noch ausreichen, um die genaue Position zu berechnen.

In den GPS-Empfängern ist der „Almanac“ – das ist die Datenbank mit den Informationen aller Satelliten – gespeichert. Der GPS-Empfänger kann damit bereits kurze Zeit nach dem Einschalten die Position (auch FIX genannt) berechnen.

Ältere GPS-Empfänger haben eine interne Batterie zur Aufrechterhaltung des Speichers benötigt wird. Wenn diese Batterie leer oder defekt ist, benötigt der GPS-Empfänger ca. 30 Minuten bis ein Fix errechnet werden kann. Durch Tauschen der Batterie kann das aber bei vielen Systemen behoben werden.

Da der Kalender im Almanac in Wochen gezählt wird und dazu ein 10-Bit Feld verwendet wurde, hat es beim Erreichen der Wochenzahl 1024 (ca. 20 Jahre) ein Problem gegeben. Manche GPS-Empfänger können seit dem 6. April 1999 beziehungsweise seit dem 6. April 2019 das Datum bzw. die Jahreszahl nicht mehr korrekt anzeigen. Dies spielt für die Positionsbestimmung keine Rolle aber bei Geräten mit integriertem Tidenkalender etc. kommt es dort zu Fehlfunktionen.

Fazit

GNSS (Global Navigation Satellite Systems) wird heute von Schiffen, Autos, Flugzeugen und im Outdoor-Bereich sowie in SmartPhones etc. verwendet und ist heute nicht mehr aus der Navigation wegzudenken. In modernen Kartenplottern und Funkgeräten sind die GPS-Empfänger bereits eingebaut.

In einem speziellen Menü wird angezeigt, welche Satelliten in „Sicht“ sind, welche zur Positionsberechnung verwendet werden und wie genau die errechnete Position ist. Die Kombinationen von Radar und Kartenplotter und der Overlay-Funktion sind ebenfalls nur mit GPS möglich.

 

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Auch Seenot-Rettungsbojen wie EPIRB’s und PLB’s sowie das AIS-System arbeiten mit GNSS.

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