Dienstag, 23. Juli 2019
Arbeitsgemeinschaft Landtechnik und Landwirtschaftliches Bauwesen in Bayern e.V.

Aufbau und Funktionsweise von Satellitenortungssystemen

Grundsätzlich funktionieren Satellitenortungssysteme durch eine Interaktion von Satelliten, Bodenstationen und mobilen Empfangsgeräten auf der Erde.

Aufbau

Die sich in einer Umlaufbahn um die Erde bewegenden Satelliten sind mit einer Atomuhr sowie einer Sende- und Empfangseinheit für die Kommunikation mit den Bodenstationen und mobilen Empfangsgeräten auf der Erde ausgestattet. In sehr kurzen zeitlichen Abständen sendet der Satellit Ortungssignale, die im Wesentlichen eine Satellitenkennung und die exakte Uhrzeit zum Zeitpunkt des Signalversandes beinhalten. Zusätzlich werden in etwas größeren zeitlichen Abständen sog. Ephemeriden (spezielle Signale) übermittelt, die die genauen Positionsdaten des Satelliten in der Umlaufbahn beschreiben.

Verteilung der Satelliten auf ihren Umlaufbahnen um die Erde
Verteilung der Satelliten auf ihren Umlaufbahnen um die Erde
Auch Bodenstationen, deren genaue geografische Position bekannt ist, verfügen über Sende- und Empfangseinheiten sowie hochgenaue Uhrzeiten. Die Hauptaufgabe der Bodenstationen besteht darin, Position sowie Uhrzeitinformationen der einzelnen Satelliten zu verfolgen, festzuhalten und Abweichungen von der erwarteten Flugbahn zu korrigieren. Eine Überwachung der einwandfreien Funktion aller Satelliten gehört ebenfalls zu den Aufgaben der Bodenstationen. Alle gesammelten Informationen werden wiederum zu Ephemeriden (Signale) zusammengefasst und in regelmäßigen Abständen den mobilen Empfangsgeräten über Satellitensignale zur Verfügung gestellt.

Mobile Empfangsgeräte (oft als GPS – Empfänger bezeichnet), wie sie auch im landwirtschaftlichen Ackerbau Anwendung finden, bestehen im Wesentlichen aus einer Antenne zum Empfangen der Satellitensignale sowie einer Recheneinheit (CPU), die die empfangenen Signale entschlüsselt und verarbeitet. Nicht jeder Empfänger ist fähig, die Signale mehrerer Satellitenortungssysteme (GPS, GLONASS, GALILEO) und damit unterschiedlicher Frequenzbänder zu entschlüsseln.

Funktionsweise

Die Positionsbestimmung via Satellitenortung beruht auf dem Prinzip der Laufzeitmessung von Signalen. Durch Umstellen der Formel [Geschwindigkeit (V) = Weg (S) / Zeit (T)] erhält man den gesuchten Weg (S). Ausgangsbasis bildet dabei das empfangene Satellitensignal, welches die hochgenaue Uhrzeit der Atomuhr im Satelliten zum Zeitpunkt des Signalversands enthält. Aus dieser Uhrzeit wird dann die Laufzeit des Signals vom Satelliten bis zum Eintreffen an der Empfängerposition auf Erde errechnet. Unter der Annahme, dass sich das Signal mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, lässt sich mit der obigen Formel aus Geschwindigkeit und Laufzeit die Entfernung vom Satelliten zur Empfängerposition auf der Erde berechnen.

Um eine Positionsbestimmung auf der Erde zu ermöglichen, muss der Empfänger Signale von mindestens drei Satelliten empfangen. Dabei sollten sich die drei Satelliten, von denen die Funksignale empfangen werden, möglichst gleichverteilt um die Empfängerposition in der Umlaufbahn befinden. Bei einer ungünstigen Satellitenverteilung können auch vier Satelliten im Minimum für eine Positionsbestimmung erforderlich sein. Die nachfolgende Grafik veranschaulicht den beschriebenen Sachverhalt.

Günstige (links) und ungünstige (rechts) Satellitenkonstellation für die Positionsbestimmung mithilfe dreier Satelliten
Günstige (links) und ungünstige (rechts) Satellitenkonstellation für die Positionsbestimmung mithilfe dreier Satelliten

Die korrigierte Position der Satelliten auf ihrer Flugbahn ist durch die Ephemeriden der Bodenstationen bekannt. Aus mindestens drei Entfernungen und drei Satellitenpositionen kann dann durch ein mathematisches Modell (Trilateration) die geografische Lage des Empfängers auf der Erde bestimmt werden. Je mehr Satellitenpositionen und Entfernungen hierfür zur Verfügung stehen, umso genauer wird die bestimmte Position.

Ausgegeben wird die gemessene Lage in geografischer Länge und Breite. Zudem errechnen die meisten Empfänger mithilfe eines weiteren mathematischen Modells (Ellipsoid / Geoid), welches die Form bzw. Oberfläche der Erde beschreibt, auch die ungefähre Höhe der gemessenen Position über dem Meeresspiegel (NN). Außerdem wird die Bewegungsgeschwindigkeit des Empfängers aus der Frequenzverschiebung zweier hintereinander gesendeter Signale, die bei der Bewegung des Empfängers entsteht, sehr präzise berechnet (Dopplereffekt).

Stand: Dezember 2018; UR: Streicher, ALB Bayern e.V.