Navigationssatelliten: Ein Kompass im Weltraum

Seit der Antike ist die Orientierung eine der schwierigsten Aufgaben der Menschheit. Ob auf der Erde, im Wald, auf der Wiese oder im Meer: Die Menschen wissen oft nicht, wo sie sind, woher sie kommen oder wohin sie gehen. Vielleicht liegt es daran, dass es drei berühmte philosophische Fragen gibt: Wer bin ich? Woher komme ich und wohin gehe ich?

Frühe Navigationssysteme

Mit zunehmender Intensität menschlicher astronomischer Beobachtungen wurde die Verwendung der Sterne zur Navigation allmählich zu einer gängigen Methode. Besonders auf dem weiten Ozean können die Menschen außer den Sternen am Himmel und der strahlenden Sonne fast nichts sehen. Allerdings weist die astronomische Navigation auch ihre Schwächen auf. Das schwerwiegendste Problem ist die mangelnde Genauigkeit. Im Zeitalter der Segelschifffahrt reisten Schiffe sehr langsam und Genauigkeit wurde zu einer Frage von Leben und Tod. Denn wenn sie nur um wenige Grad von der Route abwichen und die Richtung des Festlands verfehlten oder den Hafen auch nur um wenige Tage verfehlten und dem Schiff das Frischwasser und die Nahrungsmittel ausgingen, konnten Menschen sterben.

Daher besteht seit dem Aufkommen der Luft- und Raumfahrttechnologie eine starke Nachfrage nach der Nutzung künstlicher Satelliten zur Bereitstellung von Navigations- und Ortungsdiensten für Menschen in der Erdatmosphäre. Das erste Satellitennavigationssystem der Welt, das in Betrieb genommen wurde, war das Transit-System, das die Doppler-Navigationstechnologie verwendete. Die Menschen sind mit dem Doppler-Effekt bestens vertraut. Er bedeutet, dass Menschen, wenn sie sich in Richtung elektromagnetischer Wellen bewegen, spüren, dass die Frequenz zunimmt und die Wellenlänge abnimmt. umgekehrt nimmt die Frequenz ab und die Wellenlänge zu. Das Meridiansystem war ein technischer Erfolg, hatte jedoch noch viele Mängel, vor allem die geringe Positionierungsgenauigkeit, die lange für die Positionierung benötigte Zeit und die Größe der Ausrüstung, die nur auf größeren Schiffen verwendet werden konnte.

Natürlich führt die geringe Ortungsgenauigkeit des Systems in einer Zeit, in der die Funkkommunikationstechnologie erfunden wurde, nicht unbedingt dazu, dass die Besatzung verhungert oder verdurstet, aber sie hat dennoch große Auswirkungen auf die Navigation. Insbesondere ist das Meridiansystem für die Navigation von Fahrzeugen und Flugzeugen schwierig zu verwenden. Die Menschen hoffen immer noch, dass es präzisere und bequemere Mittel geben wird, um die Genauigkeit und Geschwindigkeit der Navigation zu verbessern und die Effizienz der Navigation zu steigern.

Prinzipien der modernen Navigationstechnologie

Im Allgemeinen führen nur extreme militärische Erfordernisse zu großen Durchbrüchen in der Technik, und das gilt auch für die Satellitennavigationstechnologie. Um das Navigationsproblem von mit ballistischen Raketen bestückten Atom-U-Booten zu lösen, war die US-Marine in den 1970er Jahren entschlossen, ein weltumspannendes Satellitennavigationssystem der neuen Generation zu entwickeln. Daraus entstand das berühmte GPS-System. Der größte Unterschied zwischen dem GPS-System und dem Transit-System besteht darin, dass der Navigationscode verwendet wird, um den genauen Standort des Bahnsteigs zu bestimmen. Einfach ausgedrückt wird eine lange Zahlenfolge in Radiowellen umgewandelt und übertragen. Diese Radiowelle enthält die Identitäts- und Zeitinformationen des Satelliten. Anhand dieser Informationen berechnet der Empfänger seine Entfernung zum Satelliten.

Das Prinzip ist folgendes: Auch die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen benötigt Zeit. Obwohl die Navigationsnachricht, die vom 20.200 Kilometer von der Erdoberfläche entfernten GPS-Satelliten gesendet wird, die Erde in einem Augenblick erreichen kann, dauert es normalerweise nicht länger als 0,1 Sekunden. Hochpräzise elektronische Systeme können jedoch die zurückgelegte Strecke der Radiowellen auf den Meter genau berechnen. Anschließend können wir gemäß den Grundprinzipien der Geometrie den genauen Standort des Empfängers berechnen, sofern wir die Navigationsnachrichten von drei Satelliten empfangen. Dies ist das Grundprinzip der GPS-Navigation. Das russische GLONASS-System, das europäische Galileo-System und das chinesische Beidou-System, die später eingerichtet wurden, basierten alle auf demselben Prinzip.

Aufgrund der Existenz verschiedener elektromagnetischer Störfaktoren ist es natürlich schwierig, durch Berechnung der Signale von drei Satelliten die genaue Position zu ermitteln. Zur Berechnung der genauen Position benötigt der Empfänger in der Regel vier oder sogar mehr Satelliten. Der Vorteil von GPS besteht jedoch in der sehr schnellen Ortungsgeschwindigkeit. Solange die Rechengeschwindigkeit des Empfängers hoch genug ist, kann eine Echtzeitpositionierung erreicht werden. Dies ist von großer Bedeutung für sich schnell bewegende Objekte wie Autos, Hochgeschwindigkeitszüge, Flugzeuge, Raketen und sogar Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen, die alle mithilfe von GPS geortet werden können.

Flugzeuge und Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen fliegen in relativ großen Höhen, sodass sie oft Signale von 12 GPS-Satelliten gleichzeitig empfangen können, was bessere Bedingungen für die Navigation bietet.

Navigationssystem verändert das Leben

Durch die Anwendung des GPS-Systems ist den zuständigen chinesischen Behörden zudem die Notwendigkeit eines globalen Satellitennavigationssystems bewusst geworden. Nach mehr als 20 Jahren harter Arbeit hat China sein eigenes Satellitennavigationssystem Beidou schrittweise von einem regionalen System zu einem globalen System ausgebaut, das zugleich zu einem der vier wichtigsten Satellitennavigationssysteme der Welt geworden ist.

Einschließlich der Navigationssysteme der USA, Russlands und Europas befinden sich derzeit mehr als 100 Navigationssatelliten im Weltraum und senden Tag und Nacht Navigationsnachrichten zur Erde. Dies wirft auch eine weitere Frage auf, über die die Leute nachdenken sollten: Können die Benutzer ein besseres Erlebnis erhalten, wenn die Dienste dieser vier Konstellationen miteinander integriert werden? Dies wird als Interoperabilität bezeichnet. Derzeit sind die vier wichtigsten Navigationssysteme kompatibel und interoperabel. Der größte Vorteil besteht darin, dass der Benutzer jederzeit weit mehr als vier Navigationssatelliten sehen kann und die Navigationswirkung natürlich besser sein kann. Wir können fast jederzeit unseren genauen Standort ermitteln, indem wir unser Mobiltelefon herausholen.

Die Einführung der Satellitennavigation hat das Leben der Menschen enorm verändert. In Kombination mit elektronischen Karten werden persönliche Navigationsdienste realisiert, die die Wahrscheinlichkeit verringern, dass man sich zu Fuß oder mit dem Auto verirrt. Es wird mit dem Mobilfunknetz kombiniert, um eine Fernüberwachung zu ermöglichen. Die Positionierung der Kinderuhren am Handgelenk der Kinder erfolgt über Navigationssatelliten. Die Navigation löst auch das Navigationsproblem unbemannter Systeme und ermöglicht die Langstreckennavigation von Drohnen, unbemannten Fahrzeugen und unbemannten Schiffen. Während der Epidemie sind viele Menschen auf Kuriere angewiesen, um ihre Einkaufs- und Restaurantprobleme zu lösen. Mithilfe der Satellitennavigation können Kuriere den Standort des Käufers präzise und zeitnah ermitteln.

Natürlich hat die Satellitennavigation auch einen enormen Einfluss auf die Kriegsführung. Ziele, die früher nur durch massive Bombenangriffe zerstört werden konnten, können heute mit nur einer oder zwei Raketen ausgeschaltet werden. Die GPS-gesteuerten Artilleriegeschosse der USA müssen sogar bewusst weniger Sprengstoff enthalten, um ihre tödliche Wirkung zu verringern. Aufgrund ihrer extrem hohen Präzision können sie den Kopf des Ziels präzise treffen. Selbst mit geringerer Macht können sie zerstört werden und vermeiden so, versehentlich andere zu verletzen und der öffentlichen Meinung zu schaden.

Natürlich wurde mit dem Ausbruch des Russland-Ukraine-Konflikts die Zusammenarbeit zwischen dem GPS-System und dem GLONASS-System künstlich unterbrochen. Für die Chinesen sind unsere Navigationsdienste jedoch mit dem Beidou-Navigationssystem grundsätzlich gewährleistet.