GPS, Tech

Dinge in Bewegung versetzen: Verstehen, wie sich Navigationssatelliten bewegen

by Christian Hansen
19. Juni 2024

Wenn Sie unsere Artikelserie bis hierhin verfolgt haben, wissen Sie bereits, dass die Navigation mittels GPS oder anderer GNSS-Systeme auf der Auswertung von kontinuierlich ausgesendeten Signalen basiert. Diese Signale stammen natürlich von Satelliten, welche die Erde umkreisen. Um eine globale Abdeckung zu erreichen, bestehen GNSS-Systeme aus einem Netz mehrerer Satelliten, die sich auf spezifischen Routen bewegen. In diesem Artikel werden wir uns genauer ansehen, wie die Satelliten organisiert sind. Dabei konzentrieren wir uns nicht nur auf das System GPS, sondern werfen auch einen Blick auf andere Navigationssysteme wie GLONASS, Galileo oder BeiDou.

Die Grundlagen - Wie funktioniert GNSS/GPS?

GPS basiert auf einem Netzwerk von Satelliten, die die Erde umkreisen und kontinuierlich Signale aussenden. Diese werden von GPS-Empfängern am Boden empfangen. Um eine genaue Position zu berechnen, benötigt ein GPS-Empfänger Signale von mindestens vier Satelliten. Jeder Satellit sendet Signale mit präzisen Zeitinformationen und seinen eigenen Umlaufparametern.

Eine ausführlichere Beschreibung, wie die GPS-Postion bestimmt wird, erklären wir in unserem Artikel
Die Funktionsweise von GPS: Wie Ihr Gerät weiß, wo Sie sich befinden

GPS als Beispiel

GPS ist als System zur Positionsbestimmung so bekannt, dass es sich allgemeinen Sprachgebrauch bereits als Synonym für den eigentlich Begriff GNSS etabliert hat. Wir verwenden in diesem Abschnitt das Global Positioning System (GPS) als Referenz, um allgemein zu erklären, wie Navigationssatelliten organisiert sind – andere Systeme funktionieren auf ähnliche Weise. Bereit? Los geht’s.

GPS-Satelliten bewegen sich in einer mittleren Erdumlaufbahn (MEO) auf sehr präzise und genau definierte Weise um die Erde. Hier sind die wichtigsten Details ihrer Bewegung:

Orbitale Eigenschaften

Höhe

GPS-Satelliten umkreisen die Erde in einer Höhe von etwa 20.200 Kilometern (etwa 12.550 Meilen) über der Erdoberfläche.

Umlaufzeit

Jeder Satellit umrundet die Erde in etwa 12 Stunden.

Orbitalebenen

Es gibt sechs Orbitalebenen, die jeweils um 55 Grad zum Äquator geneigt sind. Diese Ebenen sind gleichmäßig um den Äquator verteilt.

Anzahl der Satelliten

Jede Orbitalebene enthält normalerweise 4 Satelliten, sodass die GPS-Konstellation insgesamt 24 betriebsbereite Satelliten umfasst. Oft befinden sich zusätzliche Satelliten als Ersatz oder für eine zusätzliche Abdeckung im Orbit.

Zusätzliche Satelliten

Zusätzlich zu den 24 Hauptsatelliten befinden sich normalerweise mehrere zusätzliche Satelliten im Orbit. Diese zusätzlichen Satelliten dienen als Ersatz und tragen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Systems bei. Nach jüngsten Zählungen können sich einschließlich dieser Ersatzsatelliten etwa 30 bis 32 GPS-Satelliten im Orbit befinden.

Orbitalbewegung

Neigung

Die 55-Grad-Neigung bedeutet, dass die Satelliten einen großen Teil der Erdoberfläche abdecken können und Breitengrade bis zu etwa 55 Grad Nord und Süd erreichen.

Keplersche Umlaufbahnen

GPS-Satelliten folgen nahezu kreisförmigen Umlaufbahnen, die den Keplerschen Gesetzen der Planetenbewegung unterliegen, die die Bewegung von Objekten in der Umlaufbahn um einen größeren Körper beschreiben.

Gravitationskräfte

Die Hauptkraft, die auf GPS-Satelliten einwirkt, ist die Schwerkraft der Erde, die sie auf ihren Umlaufbahnen hält. Sie unterliegen auch geringfügigen Gravitationsstörungen durch Mond und Sonne, die in ihren Navigationsmodellen berücksichtigt werden.

Synchronisierung und Zeitmessung

Atomuhren

Jeder GPS-Satellit verfügt über hochpräzise Atomuhren, die mit Systemen auf der Erde synchronisiert sind. Diese Uhren liefern die genaue Zeit, die für die GPS-Positionierung erforderlich ist.

Übertragungssignale

Die Satelliten senden kontinuierlich Signale mit ihrer aktuellen Zeit und Umlaufbahninformationen. Diese Signale werden von GPS-Empfängern auf der Erde verwendet, um die Position des Empfängers durch Triangulation der Signale mehrerer Satelliten zu berechnen.

Wartung und Kontrolle

Bodenkontrolle

Die GPS-Konstellation wird von einem Netzwerk von Bodenkontrollstationen überwacht und gewartet. Diese Stationen verfolgen die Satelliten, aktualisieren ihre Orbitalparameter und stellen sicher, dass ihre Signale genau bleiben.

Orbitalanpassungen

Gelegentlich müssen Satelliten ihre Umlaufbahnen anpassen, um die optimale Konfiguration beizubehalten. Diese Anpassungen werden mithilfe kleiner Triebwerke an Bord vorgenommen.

Das Wichtigste nochmals in aller Kürze: GPS-Satelliten umkreisen die Erde in mittleren Erdumlaufbahnen und folgen dabei Bahnen, die es ihnen ermöglichen, Empfängern rund um den Globus kontinuierlich und genaue Positionsdaten zu übermitteln. Ihre Bewegung und Position werden von einem Netzwerk von Bodenkontrollstationen sorgfältig überwacht und aufrechterhalten.

Überall Satelliten - Wie viele Satelliten umkreisen die Erde?

Die Gesamtzahl der Satelliten, die die Erde umkreisen, umfasst eine Vielzahl von Navigations-, Kommunikations-, Wetter-, Wissenschafts- und Militärsatelliten. Konzentriert man sich speziell auf Navigationssatelliten, tragen mehrere globale Systeme zu dieser Zahl bei:

GPS (Global Positioning System)

Ungefähr 30–32 Satelliten (einschließlich Betriebs- und Ersatzsatelliten).

GLONASS (Global Navigation Satellite System)

Etwa 24-27 einsatzfähige Satelliten

Galileo (Europäische Union)

Etwa 24 betriebsbereite Satelliten und einige zusätzliche Ersatzsatelliten im Orbit, was insgesamt etwa 26 bis 30 Satelliten ergibt.

BeiDou (China)

Ungefähr 35 betriebsbereite Satelliten.

NavIC (Indian Regional Navigation Satellite System)

7 einsatzbereite Satelliten.

QZSS (Quasi-Zenith Satellite System, Japan)

4 einsatzbereite Satelliten.

Gesamtanzahl der Navigationssatelliten

Wenn man diese Zahlen zusammenzählt:

  • GPS: ~30-32
  • GLONASS: ~24-27
  • Galileo: ~26-30
  • BeiDou: ~35
  • NavIC: 7
  • QZSS: 4

Ergibt sich eine Gesamtzahl der Navigationssatelliten im Orbit von ungefähr 126-135.

Gesamtanzahl aller Satellitentypen

Neben Navigationssatelliten gibt es Tausende weiterer Satelliten in verschiedenen Umlaufbahnen um die Erde. Hier sind einige Schätzungen für Anfang 2024:

Kommunikationssatelliten

Hunderte, darunter solche in geostationärer Umlaufbahn (GEO) und niedriger Erdumlaufbahn (LEO).

Erdbeobachtungssatelliten

Hunderte, für Zwecke wie Wettervorhersage, Umweltüberwachung und Aufklärung.

Wissenschafts- und Forschungssatelliten

Dutzende, die von Weltraumagenturen wie der NASA, der ESA und anderen für wissenschaftliche Missionen gestartet werden.

Militärsatelliten

Eine unbekannte, aber bedeutende Zahl, die für Aufklärung, Kommunikation und andere Verteidigungszwecke verwendet wird.

Kommerzielle Satelliten

Eine zunehmende Zahl, insbesondere mit dem Aufkommen privater Raumfahrtunternehmen wie SpaceX, die große Konstellationen für eine globale Internetabdeckung starten (z. B. Starlink).

Aktuelle Schätzungen

Anfang 2024 befinden sich etwa 8.000 bis 9.000 aktive Satelliten in der Erdumlaufbahn. Diese Zahl steigt aufgrund der Einführung von Megakonstellationen wie Starlink von SpaceX und anderen kommerziellen Projekten rapide an.

Die Bestimmung einer Position sollte bei der Anzahl an GNSS-Satelliten weltweit kein Problem sein. Dennoch kommt es hin und wieder vor, dass keine Position bestimmt werden kann. Welche Faktoren dazu beitragen können Sie in unserem Beitrag nachlesen Die exakte Position: Welche Faktoren beeinflussen das GPS-Signal?

(Kein) Crash im Weltall

Wie kommt es, dass bei all den Satelliten keine Kollisionen entstehen? Der Schlüssel liegt in der Höhe in der Satelliten die Erde umkreisen. Die verschiedenen globalen Navigationssatellitensysteme (GNSS) arbeiten je nach Design und geplanter Abdeckung in unterschiedlichen Höhen. Hier sind die typischen Orbitalhöhen für die wichtigsten GNSS-Konstellationen:

GPS (Global Positioning System)

  • Umlaufhöhe: Ungefähr 20.200 Kilometer (12.550 Meilen)
  • Umlaufzeit: Ungefähr 12 Stunden
  • Umlaufbahntyp: Mittlere Erdumlaufbahn (MEO)

GLONASS (Global Navigation Satellite System)

  • Umlaufhöhe: Ungefähr 19.100 Kilometer (11.870 Meilen)
  • Umlaufzeit: Ungefähr 11 Stunden 15 Minuten
  • Umlaufbahntyp: Mittlere Erdumlaufbahn (MEO)

Galileo (Europäische Union)

  • Umlaufhöhe: Ungefähr 23.222 Kilometer (14.430 Meilen)
  • Umlaufzeit: Ungefähr 14 Stunden
  • Umlaufbahntyp: Mittlere Erdumlaufbahn (MEO)

BeiDou (China)

  • Orbitalhöhe:
    • MEO-Satelliten: Ungefähr 21.528 Kilometer (13.370 Meilen)
    • GEO-Satelliten: Geostationäre Erdumlaufbahn bei ungefähr 35.786 Kilometern (22.236 Meilen)
    • IGSO-Satelliten: Geneigte geosynchrone Umlaufbahnen bei ungefähr 35.786 Kilometern (22.236 Meilen)
  • Umlaufzeit:
    • MEO: Ungefähr 12 Stunden
    • GEO und IGSO: Ungefähr 24 Stunden

NavIC (Indian Regional Navigation Satellite System)

  • Umlaufhöhe: Ungefähr 36.000 Kilometer (22.369 Meilen)
  • Umlaufzeit: Ungefähr 24 Stunden
  • Umlaufbahntyp: Geosynchrone Umlaufbahn (GSO), einschließlich geostationärer und geneigter geosynchroner Umlaufbahnen

QZSS (Quasi-Zenith Satellite System, Japan)

  • Umlaufhöhe: Ungefähr 35.786 Kilometer (22.236 Meilen)
  • Umlaufzeit: Ungefähr 24 Stunden
  • Umlaufbahntyp: Stark geneigte elliptische Umlaufbahn und geosynchrone Umlaufbahn

Zusammengefasst:

  • GPS, GLONASS und Galileo arbeiten hauptsächlich in der mittleren Erdumlaufbahn (MEO).
  • BeiDou verwendet eine Kombination aus MEO, geostationärer Erdumlaufbahn (GEO) und geneigter geosynchroner Umlaufbahn (IGSO).
  • NavIC und QZSS verwenden hauptsächlich geosynchrone und geostationäre Umlaufbahnen.

Diese unterschiedlichen Umlaufbahnhöhen und -konfigurationen ermöglichen es jedem System, optimale Abdeckung und Genauigkeit für die vorgesehenen Regionen und globalen Dienste bereitzustellen ohne sich gegenseitig in die Quere zu kommen..

Erfahren Sie mehr darüber, wie das GPS-Signal schneller und genauer ermittelt wird, in unserem Artikel: A-GPS – Eine Technologie zur Verbesserung der GPS-Leistung

Fazit

Unser Streben nach verbesserter Technologie geht zwar voran, aber ohne Umweltveränderungen ist das nicht möglich. Um Systeme zu schaffen und zu etablieren, die allgegenwärtige Dienste und globale Verfügbarkeit bieten, sind Satelliten die erste Wahl für die Datenkommunikation. Je größer und komplexer die Systeme werden, umso mehr Satelliten werden voraussichtlich den Raum um die Erde besiedeln. Die Navigation ist einer dieser Dienste, der mittlerweile stark in das alltägliche Leben integriert ist. Die Navigation arbeitet mit einer relativ kleinen Anzahl von Satelliten, um eine globale Abdeckung zu gewährleisten. Allerdings haben auch andere Hersteller weiterer Systeme einen Blick auf die (noch) freien Flecken im Weltraum geworfen.  Viele Technologien sind bereits vorhanden und weitere werden folgen. Wenn Sie jemals die Gelegenheit haben, ins All zu reisen, achten Sie darauf, nicht von einem der fast 9.000 Satelliten getroffen zu werden.

Titelbild: Alexander Ant / pexels

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