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GNSS - Globale Navigations-satellitensysteme

Inhaltsverzeichnis

1. Historisches

Verlässt der Mensch seine gewohnte Umgebung und begibt sich in unbekanntes Gebiet, ist er auf Hilfsmittel angewiesen um seinen Weg zu finden. Aber auch um Wissen zu sammeln oder Besitzrechte zu manifestieren werden seit gut zwei Jahrtausenden Landkarten eingesetzt. Landkarten sollen die Realität im Zweidimensionalen wiedergeben. Die Übertragung des Räumlichen in eine Fläche ist ein komplexer Prozess, für den der Mensch Jahrhunderte lang Wissen und Erfahrung sammeln musste.
Zur Erstellung einer genauen Karte benötigt man auch präzise technische Messmittel. Um eine tatsächliche Position bestimmen zu können müssen über mathematische Verfahren die Messergebnisse in ein bestehendes Koordinatensystem eingebunden werden.
Um navigieren (Navigation =lat. "die Kunst ein Schiff zu führen"), benötigt man zuerst einmal Information über die Umwelt (Straßenkarte, Seekarte, ...) um seinen Weg/Kurs festzulegen. Zudem benötigt man ein Hilfsmittel um die gegenwärtige Position bestimmen zu können. Erst wenn die bekannt ist, kann die Karte einen Bezug zur Realität liefern.

Die folgenden Kapitel sollen einen kurzen Abriss über die Entwicklung der Navigation vom Jakobsstab bis zu den modernen Globalen Satellitennavigationssystemen (GNSS - Global Navigation Satellite Systems) darstellen.

1.1 Kartografie

Abb. 1.01: Ausschnitt Asiens aus der Geographike Hyphegesis (Quelle: gemeinfrei [1])
Abb. 1.01: Ausschnitt Asiens aus der Geographike Hyphegesis [1]

Die wohl älteste Landkarte ist der Papyrus des Artemidor . Dieses Papyrus war Teil einer bemalten ägyptischen Mumienmaske. In den 1990er Jahren wurden Fragmente im Kunsthandel entdeckt. Bei näherer Untersuchung des um die Zeitenwende hergestellten  und mehrfach wiederverwendeten Papyrus wurden kartenähnliche Zeichnungen mit kommentierenden Texten, die dem griechischen Geographen Artemidor von Ephesus zugeschrieben werden, entdeckt. Artemidor unternahm um 100 v. Chr. viele Reisen im gesamten Mittelmeerraum bis zur portugiesischen Atlantikküste und schrieb ein elfbändiges Werk, die  "Geographoumena", über die zu der Zeit bekannte Welt. Solche Reiseberichte (Itinerare) waren damals die einzigen Informationsquellen um Reisen zu planen und vorzubereiten. Zeitgenössische Karten wie der Artemidor Papyrus enthielten normalerweise keine Ortsangaben oder Texte.

Die ersten bekannten Karten, die mit Ortsangaben und einem Koordinatensystem versehen wurden, sind Teil des von Klaudios Ptolemaios (lat. Claudius Ptolomaeus, deutsch Ptolemäus) um das Jahr 150 n. Chr. erstellter Atlas, die "Geographike Hyphegesis". Das Werk beruht in Teilen auf älteren Quellen und auf Reiseberichten von Fernhändlern. Von diesem Werk sind keine Originale erhalten. Es gibt nur noch eine Kopie aus dem Spätmittelalter.

Abb. 1.02: Ausschnitt aus der Tabula Peutingeriana (Quelle: gemeinfrei [1])
Abb. 1.02: Ausschnitt aus der Tabula Peutingeriana [2]

Die ersten Straßenkarten entstanden etwa im vierten Jahrhundert nach Christus. Auch von diesen sind keine Originale mehr erhalten. Die älteste Kopie aus dem 12. Jahrhundert, die Tabula Peutingeriana (Tafel des Peutinger), zeigt eine kartografische Darstellung des Straßennetzes des spätrömischen Reichs um 330-475 n. Chr. Die dargestellten Gebiete reichen von den britischen Inseln über den Mittelmeerraum bis nach Indien und Zentralasien. Auf einer in 12 Segmente zerlegten Papyrusrolle von 34 cm Breite und einer Gesamtlänge von 6,75 m sind über 200.000 Kilometer Straßen, 555 Städte und 3500 geografische Stätten eingezeichnet.
Gemeinsam haben die Karten des Mittelalters, dass sie sich zu einem wirklichen praktischen Gebrauch nicht  eigneten. Abgesehen davon, dass sie wenig detailliert waren, so waren sie alle verzerrt und nicht maßstäblich. Erst die Bedürfnisse der weltweiten Seefahrerei im 15. Jahrhundert und die Werke Gerhard Mercators (auch Gerard De Kremer/Gerardus Mercator) brachten eine Wende in der Genauigkeit der Kartografie. Mercator entwickelte eine bis heute wegen ihrer Winkeltreue für die Seefahrt (und Luftfahrt) wichtige Projektion, die nach ihm als „Mercator-Projektion“ benannt wurde.

Abb. 1.03:Vermessungskette
Abb. 1.03: Vermessungskette [3]

Anfang des 18. Jahrhunderts erstellten Jaques und César Cassini in Frankreich die erste große auf Triangulation beruhende topografische Karte (Topografie = Teilgebiet der Kartografie, das sich mit der detaillierten Vermessung, Darstellung und Beschreibung der Erdoberfläche und der mit ihr fest verbundenen natürlichen und künstlichen Objekte beschäftigt). In den folgenden Jahrzehnten erfolgte die exakte Vermessung von nahezu ganz Europa (z.B. 1821-1825 die Kurhannoversche Landesaufnahme durch C. F. Gauß).
 
Die Genauigkeit so erstellter Karten hängt im hohen Maße davon ab, wie präzise die Geräte sind mit denen die Messpunkte aufgenommen werden. Waren die Theodoliten des 19. Jahrhundert rein optisch/mechanische Instrumente, die genauestens eingerichtet und abgelesen werden mussten, wurden die Theodoliten des 20. Jahrhundert mit elektronischen Messaufnehmern ausgestattet, die die Messwerte in digitaler Form bereitstellten um sie in Computern weiterzuverarbeiten.
Im 21. Jahrhundert werden Vermessungen selten noch mit optischen Geräten durchgeführt. Elektronische Systeme nutzen die globalen Satellitennavigationssysteme  kombiniert mit terrestrisch (GMS / 2-Meter-Band) oder von Kommunikationssatelliten ausgestrahlten Hilfssignalen und liefern so eine Messgenauigkeit im Millimeterbereich.

1.2. Optische Navigation

Auch wenn man noch so genaue Karten hat nützen sie einem nichts, wenn man nicht weiß, wo man sich befindet. Erst wenn ein Bezug zwischen der Karte und der Realität hergestellt ist, kann die eigene Position festgestellt werden. Die Kunst der Navigation umfasst somit drei Teilbereiche:

  • Bestimmen des eigenen Standorts (durch verschiedene Methoden)
  • Festlegen des Kurses/Weges mit Hilfe einer Karte
  • Führen des Fahrzeuges zum Ziel mit der Kompensation von Abweichungen vom Kurs/Weg durch Wind, Strömung usw.

Die Navigationskunst entwickelte sich vor mehreren tausend Jahren in Indien und im östlichen Mittelmeerraum. Im ersten Jahrtausend v. Chr. trauten sich die Phönizier (ein Händler- und Seefahrervolk aus dem Gebiet des heutigen Libanon und Syrien) die Küstenlinie zu verlassen und in die offene See zu stechen. Die Orientierung erfolgte nach dem Stand der Sonne, der Gestirne, Messen der Zeit  und durch Abschätzen oder Messen (mit einem Log) der Geschwindigkeit und dem Fortführen der Messergebnisse (sog. einfache Koppelnavigation).

Abb. 1.04: Winkelmessung mit einem Jakobsstab
Abb. 1.04: Winkelmessung mit einem Jakobsstab [4]

Das erste mechanische Hilfsmittel zur Positionsbestimmung war wahrscheinlich der Jakobsstab (auch Kreuzstab oder Gradstock genannt). Das Gerät diente in der Seefahrt hauptsächlich der Bestimmung der geographischen Breite. Dazu wurde der Höhenwinkel der Sonne oder eines Fixsternes (meist des Polarsterns) über dem nautischen Horizont gemessen. Bei der küstennahen Navigation wurden mit ihm auch Winkel zwischen terrestrischen Zielen gemessen und damit in der Karte die Position bestimmt.
Auf einem ca. 70 cm langen hölzernen Hauptstab sind ein oder bis zu vier verschiebbare Querstäbe angebracht. Der Navigator/Vermesser hält den Stab in Augenhöhe und verschiebt ein Querstück so lange bis der angepeilte Stern und Horizont von beiden Enden bedeckt wird. Auf einer Einteilung des Hauptstabes liest er den Stand des Querstücks ab. Die halbe Länge des Querstabes dividiert durch den abgelesenen Wert ergibt den Tangens des halben gesuchten Winkels. Später versah man den Hauptstab mit einer bzw. bis zu vier Teilungen, an denen man den Winkel direkt ablesen konnte (Abb. 1.04).

Abb. 1.05: Astrolab
Abb. 1.05: Astrolab [5]

Die gleiche Funktion, das Messen von Winkeln, wurde mit den Astrolabien ("Sternennehmer") einfacher und genauer (Abb. 1.05). Diese hatten auch den Vorteil, dass man um den Stand der Sonne zu messen, nicht wie beim Jakobsstab, direkt in die Sonne schauen musste. Spezielle Seeastrolabien wurden hängend betrieben. Da sie besonders schwer aus Metall gefertigt wurden, war das Ausrichten auf den Horizont besonders einfach und gelang sogar auf schwankenden Schiffen.

Abb. 1.06: Sextant (Fa. Plath Bremen/Bremerhaven)
Abb. 1.06: Sextant (Fa. Plath Bremen/Bremerhaven) [6]

Neben dem Kompass ist das wohl bekannteste Navigationsinstrument der Sextant. Auch dieser ist ein optisches Instrument. Über Spiegel werden der Horizont und der angepeilte Stern nebeneinanderprojiziert. Decken sie sich, kann der Winkel direkt an der Winkelskala abgelesen werden. Um die Sonne zu "schießen" können zum Schutz der Augen abgedunkelte Gläser in den Strahlengang geklappt werden.
Sextanten werden auch heute noch in der Navigation eingesetzt.

1.3. Funknavigation

Bei der Funknavigation werden Radiowellen zur Positionsbestimmung eingesetzt. Satellitennavigationsverfahren verwenden zwar auch Funkwellen, sind an dieser Stelle aber nicht mit einbezogen.
Funknavigationsverfahren sind Passivverfahren, d.h. der Sender bekommt keine Rückmeldung vom Empfänger. Die Verteilung der Radiosignale erfolgt wie Rundfunk oder TV als Broadcast.
Grundsätzlich lassen sich zwei Funknavigationsverfahren unterscheiden:
Die einfachste Methode ist das Peilverfahren. Hierbei senden mehrere weit auseinanderliegende Sender permanent Signale ab, die sich in Frequenz und Modulation (Kennung) unterscheiden. Mit einer Peilantenne kann der Empfänger die Signale empfangen und die Richtung, aus der sie kommen, bestimmen. Ist dem Empfänger, z.B. einem Radiokompass, die Kennung und der Standort von mindestens zwei empfangenen Sendern  bekannt, kann er seine Position triangulieren. Ein System nach einem solchen Peilverfahren bildet z.B. das in der Luftfahrt verwendete Instrumentenladesystem ILS, das mit zwei sich überlagernden Leitstrahlen (90 und 150 Hz) den Landekurs und den Gleitpfad markieren.

Das genauere Verfahren ist das Entfernungs- oder Laufzeitverfahren. Das Grundprinzip dieses Messverfahren kennen wir von der Bestimmung der Entfernung eines Gewitters.

Abb. 1.07: Bestimmung der Entfernung eines Gewitters
Abb. 1.07: Bestimmung der Entfernung eines Gewitters

Die Entfernung (r) lässt sich einfach berechnen indem man die verstrichene Zeit zwischen Blitz und Donner (Laufzeit = Δt) mit der Schallgeschwindigkeit (CS) multipliziert. Nach dem gleichen Prinzip funktioniert auch das früher wohl am weitesten verbreitete terrestrische Funknavigationssystem LORAN (Long Range Navigation) aber auch unsere neuen Satellitennavigationssysteme. Im LORAN-System senden in Ketten angeordnete Sendestationen nach einem festen Schema Impulsgruppen im Langwellen-Bereich (100kHz) aus. Der LORAN-Empfänger kennt die Positionen der einzelnen Sendestationen der Kette. Durch die unterschiedlichen Entfernungen zu den Stationen entstehen unterschiedliche Laufzeiten des Funksignal. Durch einen Vergleich der Entfernungsmessungen kann der Empfänger seine eigene Position bestimmen.
Die ausgesendeten Zeitsignale müssen äußerst genau sein, da Abweichungen die Bestimmung der Position ungenau macht. Daher werden die Zeitsignale von präzisen Caesium-Atomuhren erzeugt. Die Positionsbestimmung kann abhängig von Umweltfaktoren auf einige Hundert Meter genau sein.
LORAN-Systeme sind sehr aufwändig. Die Leistung eines LORAN-Senders beträgt bis zu 4000 kW. Die Antennen sind mehrere Hundert Meter hoch. Die Reichweite beträgt ca. 1000 km. Mit dem Einsatz von GPS wurde LORAN überflüssig und wird, bzw. wurde, in fast allen Ländern abgeschaltet.

 

 

REFERENZEN

Abbildungen

[1] Abbildung "Abb. 1.01: Ausschnitt Asiens aus der Geographike Hyphegesis" Lizenz: Public Domain,
Quelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ptolemy_Asia_detail.jpg

[2] Abbildung "Abb. 1.02: Ausschnitt aus der Tabula Peutingeriana" Lizenz: Public Domain via Wikimedia Commons,
Quelle: "Part_of_Tabula_Peutingeriana.jpg" by unkwon (Bibliotheca Augustana with permissions); http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ATabula_Peutingeriana.jpg

[3] Abbildung "Abb. 1.03: Vermessungskette" Lizenz: Public Domain via Wikimedia Commons,
Quelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:L-Triangulierung.png

[4] Abbildung "Abb. 1.04: Winkelmessung mit einem Jakobsstab" Lizenz: Public Domain via Wikimedia Commons, By Apianus, Introductio geographica ([1][2])
Quelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AJakobsstab-2.jpg

[5] Abbildung "Abb. 1.05: Astrolab" Lizenz: GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) oder CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) via Wikimedia Commons;
Quelle: "Jean_Fusoris_planispheric_astrolabe_in_Putnam_Gallery%2C_2009-11-24.jpg" von Sage Ross (Eigenes Werk); http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AJean_Fusoris_planispheric_astrolabe_in_Putnam_Gallery%2C_2009-11-24.jpg

[6] Abbildung "Abb. 1.06: Sextant (Fa. Plath ...)" Lizenz: Public Domain
Quelle: NOAA Photo Library (National Oceanic and Atmospheric Administration) http://www.photolib.noaa.gov/htmls/theb2176.htm

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