Satellitennavigation für die EU

GALILEO Europas gemeinsame Antwort auf GPS(USA) und GLONASS (Russland) Sie werden beide vom Militär finanziert und kontrolliert. - d.h. dass Informationen für zivile Nutzer verfälscht oder gar abgeschaltet werden können. GALILEO bringt einen wichtigen Technologievorsprung Befreiung aus der US-Abhängigkeit

Zu GPS Ist nicht hundertprozentig zuverlässig. Empfang zum Teil lückenhaft, insbesondere in Städten und in hohen Breitengraden. Rasche Ortung und Präzision ist beschränkt. Das Militär übernimmt keine Haftung für Falschangaben z.B. bei Flugzeugunfällen. Wird bisher von amerikanischen Konzernen Rockwell und Trimble dominiert.

Zu GLONASS GLONASS befindet sich im Wiederaufbau Bislang keine zivilen Anwendungen Zur Zeit 15 funktionsfähige Satelliten im Orbit Bis 2010: 24 Satelliten für die weltweite Abdeckung 2003 Vereinbarung für Tests zur Kompatibilität beider Navigationssysteme. In der Zukunft vielleicht sogar eine Kombination aus GALILEO und GLONASS möglich

Entstehung Gemeinschaftsprojekt der ESA (European Space Agency) und der Europäischen Union. Name entstand von dem italienischen Genius und Weltrevolutionär Galileo Galilei. GALILEO stellt eine technologische Revolution dar, wie z.B. UMTS im Mobilfunk.

Aufbau des GALILEO-Systems Planung und Aufbau des komplexen Satellitensystems erfolgt in vier überschaubaren Etappen: 1. Definitionsphase (2003, bereits abgeschlossen) 2. Entwicklungs- und Testphase (2003 – 2007) 3. In-Orbit-Validierungsphase IOV (2007 – 2008) 4. Errichtungsphase (bis Ende 2010)

Entwicklungs- und Testphase In dieser Phase werden Testsatelliten gestartet. - Sie sollen die Ausrüstungen der Satelliten, - das Zusammenwirken mit Bodenstationen, - die projektierten Parameter der Navigation überprüfen. GIOVE A wurde am 28. Dezember mit einer Sojus – Trägerrakete in die Erdumlaufbahn geschickt. GIOVE B folgt im laufe des Jahres 2006. Der Untersuchungsschwerpunkt der beiden Satelliten besteht in der Erprobung der beiden Atomuhren und der Charakterisierung der Daten. Jeder GALILEO-Satellit hat je zwei Maser-Uhren sowie zwei Rubidium-Uhren. Eine Maser-Uhr liefert die Bordzeit die anderen dienen als Backup.

Die Satelliten

GIOVE A (erster Testsatellit) britisch-niederländisch GIOVE (Akronym) Galileo In-Orbit Validation Element Abmessungen 1,30 m x 1,74 m x 1,40 m Startmasse 450 kg Nutzlast Rubidium-Atomuhren, Signalgenerator Elektrische Leistung 660 W Hersteller Surrey Satellite Technology Start 28. Dezember 2005 Startort Kosmodrom Baikonur Träger Sojus-Fregat

GIOVE B (zweiter Testsatellit) deutsch-italienisch Abmessungen 0,95 m x 0,95 m x 2,40 m Startmasse 523 kg Nutzlast Rubidium- und Wasserstoffmaser- Atomuhren, Signalgenerator Elektrische Leistung 943 W Hersteller Galileo Industries Start 2006 Startort Kosmodrom Baikonur Träger Sojus-Fregat

GALILEO IOV (die ersten vier richtigen Satelliten) Abmessungen 2,70 m x 1,20 m x 1,10 m Spannweite der 13 m Solarpanels Startmasse 680 kg Elektrische Leistung 1500 W Lebensdauer mindestens 12 Jahre Hersteller Galileo Industries Start ab 2008 Startort Kosmodrom Baikonur Träger Sojus-Fregat (für weitere Satelliten auch Ariane 5)

Maser-Atomuhr Maser-Uhr (microwave ampilfication by stimulated emission of radiation) die eine Frequenz von 1,420 GHz erzeugt. Die Maser-Wasserstoff-Atomuhr ist die genaueste Uhr die jemals in den Weltraum gebracht wurde. Sie erreicht eine Abweichung von einer Sekunde in 3 Millionen Jahren. Diese Uhr nutzt als Zeitbasis keine schwingende Masse, sondern den Übergang von Atomen zwischen verschiedenen Energieniveaus.

Rubidium Uhr Die als Backup genutzten Rubidium Uhren arbeiten mit verdampftem Rubidium. Ihre „Ungenauigkeit“ beläuft sich auf eine Sekunde in 760 000 Jahren.

In-Orbit-Validierungsphase IOV 4 GALILEO-Satelliten die den späteren Serientyp entsprechen, werden mit zwei Doppelstarts 2007/08 in den Weltraum befördert. Es werden zwei Satelliten in der Bahnebene 1, und zwei in der Bahnebene 2 Platz finden. Dabei wird das grundlegende Weltraumsegment als auch das Bodensegment überprüft. Zur Validierung gehört eine Analyse der Systemleistung, um nötige Verbesserungen rechtzeitig einführen zu können.

Errichtungsphase Nach dem erbrachten Leistungsnachweis erfolgt der zügige Aufbau des Gesamtsystems in allen drei Bahnebenen. Die Satelliten werden mit Raketen des Typs Ariane 5 gestartet, den nur sie kann bis zu 8 Satelliten in die Umlaufbahn befördern. Bis 2010 wird auch das Bodensegment fertig ausgebaut sein, so dass der Regelbetrieb begonnen werden kann.

Funktionsprinzip Die Raumflugkörper senden verschlüsselte Signale, über den Sendezeitpunkt und die genauen Bahndaten der Satelliten, an das Empfangsgerät auf der Erde.

Funktionsprinzip Das Empfangsgerät das z.B. im PKW oder Mobiletelefon untergebracht ist, besitzt einen Speicher für die übertragenen genauen Koordinaten der jeweiligen Satellitenumlaufbahn. Beim Empfang eines Signals, kann der Satellit die Laufzeit und die Entfernung zum Sendesatelliten berechnen. Mit der gleichen Funktionsweise müssen mindestens vier Satelliten empfangen werden um eine genaue Positionsbestimmung zu ermöglichen.

Funktionsprinzip Warum vier Satelliten? Man benötigt drei Satelliten für die räumliche Bestimmung. Einen vierten um den Uhrenfehler des Empfängers auszugleichen, da dieser keine hochpräzise Uhr besitzt.

Die Architektur des GALILEO-Systems

Das Weltraumsegment (Space Segment) Bei Vollständigem Aufbau 30 Satelliten Mit terrestrischen Kontrollsegment wird eine globale Abdeckung garantiert. Gleichmäßig auf 3 kreisförmigen Bahnebenen in ca. 23600km Höhe verteilt.

Das Weltraumsegment (Space Segment) Die Bahnneigung der Ebenen zum Äquator beträgt 56 Grad. Auf jeder Ebene befinden sich neun jeweils um 40 Grad versetzt fliegende Satelliten. Der Zehnte wird als Reserve in der jeweiligen Bahnebene vorgehalten. Die Abweichung eines Satelliten darf höchstens 2 Grad (ca. 1000km) betragen. Mit dieser Konstellation sind stets mindestens vier, in der Regel sechs bis acht, Satelliten zur Verfügung.

Das Weltraumsegment (Space Segment) Die extrem hohe Umlaufbahn wurde bedacht gewählt. Dadurch haben die Satelliten eine geringe Winkelgeschwindigkeit, was eine längere Sichtbarkeit über den Erdhorizont bedeutet. Außerdem treten keine störenden Wechselwirkungen mit der Erdatmosphäre auf.

Das Bodensegment Sind alle Einrichtungen auf der Erde z.B. Kontrollzentren sowie Bodenstationen, die die Funktionalität und die Qualität der Informationen gewährleisten. Den Kern bilden zwei GALILEO-Kontrollzentren in Oberpfaffenhofen (Deutschland) und in Fucino (Italien). Von Deutschland wird der Regelbetrieb der 30 Satelliten- Konstellationen sichergestellt Das Zentrum in Italien hat eigene Aufgaben für den Regelbetrieb und fungiert bei auftretenden Problemen als „Backup-Einrichtung“.

Das Bodensegment Positionierung der 30 Satelliten durch: das Europäische Satellitenkontrollzentrum ESA und das französische Raumfahrtzentrum CNES zu gleichen Anteilen.

Aufgaben eines Kontrollzentrums

Ground Control Segment Ist für die grundsätzliche Funktionstüchtigkeit und für die korrekten Umlaufbahnen der Satelliten verantwortlich. Es gibt 5 global verteilte Satelliten-Kontrollstationen, die mit einer 13 Meter Antenne ausgestattet sind und die im S-Band (2,6 – 3.95 GHz) wechselseitig Daten über Zustand der Raumflugkörper empfangen und Kommandos senden.

Ground Mission Segment (GMS) Ist für die Lieferung korrekter Navigationssignale und die Überwachung der Integrität verantwortlich. Das Navigationssignal setzt sich aus der Zeit der Atomuhr, den Orbitdaten des Satelliten und Integritätsinformationen zusammen.

Ground Mission Segment (GMS) Zur Ermittlung der Daten werden über ein Netzwerk von 40 Ground Sensor Stations (GSS) die Signale aller Satelliten im L-Band (1-2,6 GHz) erfasst. Diese Daten werden zum Ground Mission Segment (GMS) gesendet und mit weiteren Informationen (Zeitsignal der Bodenstationen, Ionosphärendaten) die neuen Orbitdaten der Satelliten ermittelt. Abgleich aller Borduhren mit der Uhr der Kontrollstation Eine Vorhersage der Bahnverläufe für die nächsten Stunden Die Bewertung der Integrität aller Satellitensignale.

Ground Mission Segment (GMS) Die Berechnungen werden alle 10 Minuten durchgeführt. Über 9 Uplink-Stations (ULS) mittels 3 Meter Antennen im C-Band (3,95 – 5,8 GHz) werden die Ergebnisse zu den Satelliten übertragen. Damit diese wieder über korrekte Navigationsinformationen verfügen. Weitere Einrichtungen steuern Schnittstellen zu externen Diensten und sorgen für die Sicherheit der übertragenen Daten. Zwei zusätzliche Offline-Facilities in Frankreich und Spanien unterstützen hierbei mit der Bereitstellung von Mess- und Prüfmöglichkeiten die Anwendungsentwicklung.

GALILEO-Dienste

GALILEO-Dienste Mit 5 speziellen Diensten werden alle Regionen der Welt rund um die Uhr bedient. Der offene Dienst (Open Service, OS) Der kommerzielle Dienst (Commercial Service, CS) Der sicherheitskritische Dienst (Safety of Life Service, SoL) Der öffentliche regulierte Dienst (Public Regulated Service, PRS) Der Such- und Rettungsdienst (Search and Rescue, SAR)

Der offene Dienst (Open Service, OS) Eine Kombination offener Signale, die vom Nutzer gebührenfrei empfangen werden und die Genauigkeit der Standort- und Zeitbestimmung verbessert. Auf der Basis von OS werden Dienste von allgemeinem Interesse zu Ortungs-, Navigations- und Zeitsynchronisationszwecken aufgebaut.

Der kommerzielle Dienst (Commercial Service, CS) Gebührenpflichtiger Dienst Bietet Zusatzinformationen für professionelle Endanwender Begrenzte Übertragungskapazität für Nachrichten (500bps bzw. bits pro sek) z.B. im Vermessungswesen, Flottenmanagement und Netzsynchronisation

Der sicherheitskritische Dienst (Safety of Life Service, SoL) Weltweit verfügbarer, verschlüsselter Dienst Für Nutzergruppen, bei denen die garantierte Genauigkeit wesentlich sind. Für Kontinuität wird Garantie gegeben. z.B. im Verkehrswesen wie Luft- und Schifffahrt.

Der öffentliche regulierte Dienst (Public Regulated Service, PRS) Ist ein zugriffsgeschützter, verschlüsselter und störresistenter Dienst für staatliche Zwecke Er dient hoheitlichen Aufgaben der EU-Staaten und muss ständig in Betrieb sein. Wesentlicher Faktor ist die Signalstabilität gegen Störsender. z.B. für Polizei, Zoll und Sicherheitsorgane

Der Such- und Rettungsdienst (Search and Rescue, SAR) Ermöglicht Empfang von Notrufen weltweit in Echtzeit. Exakte Positionsbestimmung der Warnmeldungen mit Genauigkeit auf wenige Meter. Ermöglicht auch Rückmeldungen an die Geschädigten.

Quellen www.esa.int www.wissenschaft-online.de www.ulrich-stockmann.de

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Copyright (c) Bernd Hubert