Satellitennavigationssysteme

Astronomische Navigation

Bei der astronomischen Navigation, also die Navigation anhand der Position von Himmelskörpern, wird die Position des Schiffes durch Winkelmessungen zu bestimmten Himmelskörpern (Sonne, Mond, Planeten, Sterne) bestimmt. Der genaue Standort ist in Tabellen zu bestimmten Zeiten angegeben. Ursprünglich wurden die Winkel mit einem Jakobsstab oder der Sonnenstand mit einem Astrolabium gemessen. Später wurden Sextant und Oktant verwendet. Um diese voll ausnutzen zu können, sind außerdem Kenntnisse über die genaue Zeit erforderlich, also der Zugriff auf ein Chronometer oder eine Schiffsuhr. Heutzutage wird ausschließlich die Satellitennavigation angewendet.

Das Global Navigation Satellite System (GNSS) ist die Bezeichnung für die globalen Satellitensysteme zur Positionsbestimmung und zur Navigation. Heute gibt es vier Systeme unterschiedlicher Nationen. Alle Satellitennavigationssysteme benutzen Funksender auf speziellen Navigationssatelliten, deren Radiowellen von Navigationsgeräten empfangen werden. Zur Positionsbestimmung und Navigation muss ein Empfänger die Signale von mindestens vier Satelliten gleichzeitig empfangen. Die Entfernung vom Satelliten zum Empfangsgerät ergibt sich aus der Signallaufzeit.

Folgende 4 Systeme sind im Einsatz:

Satellitennavigationssystem GPS

Zu dem globalen Positionsbestimmungssystem gehören 31 Satelliten, die in einer Höhe von ca. 20.000 km in sechs Umlaufbahnen mit einer Neigung von 55' zum Äquator kreisen. Dabei dauert eine Erdumkreisung eines einzelnen Satelliten 11 Stunden und 58 Minuten. Durch diese Anordnung kann der GPS-Nutzer an fast jedem Ort der Erde über mindestens vier, in der Regel 6 bis 10, für die Ortsbestimmung brauchbare Satelliten verfügen. Auf drei Frequenzen werden kontinuierlich Zeit, Bahn- und Korrekturdaten gesendet.
Für die Seefahrt stehen eine Vielzahl von reinen GPS-Empfangsanlagen, aber auch Multisystemempfänger verschiedener Hersteller mit unterschiedlicher Leistungsfähigkeit zur Verfügung.
Die von den Betreibern veröffentlichten durchschnittlichen Genauigkeiten für den Standard Positioning Service (SPS) werden mit 13 m horizontal und 22 m vertikal angegeben. Zu militärischen Einsatzzwecken kann das GPS-Signal regional beeinflusst oder abgeschaltet werden, wenn dies die nationale Sicherheit der USA erfordert.
Obwohl sich GPS generell als genaues und zuverlässiges Positionsbestimmungssystem bewährt hat, fehlen dem Nutzer Informationen über den aktuellen Systemzustand und damit über die Verlässlichkeit der aktuellen Position (Systemintegrität).
Die Genauigkeit und Integrität kann durch lokale Differential-GPS-Verfahren (DGPS) gesteigert werden. Dabei misst eine Referenzstation an einem geographisch bekannten Ort die aktuellen Fehler der einzelnen Satelliten und stellt die daraus resultierenden DGPS-Korrekturwerte und Systemintegritätsangaben im international standardisierten Format zur Verfügung. Dadurch lässt sich die Position des Empfängers auf bis zu ± 3 Meter steigern. Auch die Nutzung von GPS-Mehrfrequenz-, oder Multisystemempfängern ermöglicht eine deutliche Steigerung der Genauigkeit.

Satellitennavigationssystem GALILEO

Um den Mangel der Systemintegrität und andere Nachteile von GPS zu beseitigen und die Abhängigkeit von einem einzigen System zu vermeiden, hat der Ministerrat der Europäischen Union den Aufbau eines eigenen satellitengestützten Positionsbestimmungssystems mit Namen "GALILEO" beschlossen. Das Galileo Satellitennavigationssystem wird von der GSA (Agentur für das Europäische GNSS) betrieben und untersteht rechtlich dem EU-Parlament.
In einer Höhe von ca. 23.616 km kreisen derzeit 26 Satelliten in drei Bahnebenen mit einer Neigung von 56' zum Äquator. Eine Erdumkreisung eines einzelnen Satelliten dauert 14 Stunden.
Galileo befindet sich seit 2016 im Probebetrieb und soll in naher Zukunft mit 27 (+3 Reserve-Satelliten) den normalen Betrieb aufnehmen - der gegenwärtige Probebetrieb ermöglicht heute schon die freie Nutzung der Galileo-Dienste zur Navigation. Nach dem Endausbau können die Navigationssignale auf Breitengraden bis zu 75° Nord und 75° Süd problemlos empfangen werden.
Die Galileo-Signale werden auf fünf Frequenzen im Codemultiplexverfahren (CDMA) ausgesendet. Vier Frequenzen sind für alle Nutzer frei verfügbar. Zusätzlich zu den frei nutzbaren Signalen wird auf der Frequenz E6 der PRS Dienst ausgesendet (Public Regulated Service). Dieser Dienst ist verschlüsselt und steht nur für hoheitliche Nutzer wie z.B. Polizei, Vermessung, Militär und Katastrophenschutz zur Verfügung.
Es sind keine reinen Galileo-Empfänger für die zivile Schifffahrt verfügbar. Heutige maritime Empfänger für Galileo gehören zu der Gruppe der Präzisionsempfänger und verfugen meist über multisystemfähige GNSS-Prozessierung.
Die Positioniergenauigkeit des SPS liegt in der gleichen Größenordnung wie beim zivil nutzbaren GPS und kann durch die gleichzeitige Nutzung mehrerer Galileo-Signale deutlich auf weit unter einem Meter verbessert werden. Grundsätzlich sollten Multisystemgeräte alle verfügbaren Signale nutzen, um eine bestmögliche Position bestimmen zu können.
Die Genauigkeit und Integrität kann durch Nutzung von mindestens zwei der angebotenen Galileo-Signale, sowie durch lokale Differential-Verfahren (DGNSS) gesteigert werden. Für das Galileo-Satellitennavigationssystem wurde ein weltweites Netz aus Referenzstationen aufgebaut, die höchste Dichte erreicht dieses Netz in Europa. Die mit Hilfe des Referenznetzes bestimmten Daten zur Nutzbarkeit, Genauigkeit und Integrität des Galileo-Systems werden den Nutzern über die Satellitensignale zur Verfügung gestellt. Als Zusatzfunktion stellt GALILEO einen globalen Such- und Rettungsdienst (SAR) bereit.

Satellitennavigationssystem GLONASS

Das russische GLONASS (Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) wird vom Verteidigungsministerium der Russischen Föderation betrieben und hat im Bereich der zivilen Schifffahrt gegenwärtig keine große Bedeutung. Das Navigationssystem dient im Wesentlichen den russischen Streitkräften.
In einer Höhe von ca. 19.100 km kreisen 28 Satelliten in drei Bahnebenen mit einer Neigung von 65' zum Äquator. Diese Konstellation ermöglicht eine bessere Signalabdeckung in hohen nördlichen Breiten als beim amerikanischen GPS. Eine Erdumkreisung eines einzelnen Satelliten dauert 11 Stunden und 15 Minuten.
Die GLONASS-Signale werden auf zwei Pilotfrequenzen ausgesendet und können auch von privaten Nutzern weltweit verwendet werden. Die Positioniergenauigkeit liegt in der gleichen Größenordnung wie beim zivil nutzbaren GPS.
Es sind kaum reine GLONASS-Empfänger für die zivile Schifffahrt verfügbar. Heutige Empfänger verfügen meist über multisystemfähige GNSS-Prozessierung und empfangen in der Regel sowohl GPS 11, als auch GLONASS G1.

Satellitennavigationssystem BeiDou

Das von der chinesischen Volksbefreiungsarmee betriebene globale Satellitennavigationssystem ist seit 2020 uneingeschränkt weltweit nutzbar. Die Satellitenkonstellation von BeiDou besteht aus Satelliten in verschiedenen Arten von Umlaufbahnen (Orbits), genutzt werden umlaufende, geostationäre und geneigte geosynchrone Orbits. Diese Konstellation ermöglicht eine deutlich höhere Verfügbarkeit von Satelliten über dem chinesischen Hoheitsgebiet.
Die BeiDou-Signale werden auf drei Frequenzen ausgesendet. Zwei Frequenzen stehen auch für zivile Nutzer weltweit zur Verfügung. Die Positioniergenauigkeit wird für zivile Anwender mit einer Genauigkeit von 4,4 Metern angegeben. Fast alle großen Hersteller von Smartphones unterstützten die Ortsbestimmungsfunktion von Beidou. Für 2035 ist eine neue Generation des Beidou-Systems angekündigt.

Störungen von GNSS

Die Verwendung von Globalen Navigationssatellitensystemen (GNSS) hat dazu geführt, sich stark auf elektronische Systeme zu verlassen. Aber elektronische Navigationssysteme können aufgrund absichtlicher oder versehentlicher Beschädigung ausfallen. Angesichts des militärischen Ursprungs der aktuellen GNSS – GPS und GLONASS kann davon ausgegangen werden, dass die Sicherheitsstufen hoch sind und dass Ersatzgeräte bereitgestellt werden. Die Erfahrung mit GPS bestätigt dies, und Systemausfälle sind vermutlich ein sehr seltenes Ereignis. Die Sicherheitsmaßnahmen für Galileo sind mit denen für GPS vergleichbar. GNSS ist aufgrund des extrem niedrigen Signalpegels am Benutzerempfänger besonders anfällig für versehentliche oder böswillige Störungen.
Zu unbeabsichtigten Störquellen zählen die ionosphärische Variabilität, sowie starke Signale von leistungsstarken Sendern, die in anderen Bändern arbeiten, oder von Quellen in der Nähe des GNSS-Empfängers. Auch durch Sonnenfleckenaktivitäten können die Messungen gestört werden, weil diese die Laufzeiten der Signale verzögern. Auch Ausfälle elektronischer Geräte an Bord eines Schiffes sind ebenfalls keine Seltenheit.
Zu den beabsichtigten Störquellen gehört das Aussenden absichtlicher Störsignale. Auch „Spoofing“ ist eine Gefahr, bei dem ein falsches GNSS-Signal ausgestrahlt wird, um den Benutzer zu täuschen. In den letzten Jahren wurden GNSS-Anwendungen zunehmend das Ziel von Störattacken. Seit Ausbruch des Ukraine-Kriegs wurde der GNSS-Dienst mehrmals in großen Teilen der Ostsee gestört.

Störquellen:

Die Auswirkungen der ionosphärischen Variabilität bestehen in der Erhöhung von Positionsbestimmungsfehlern, die die festgelegten Grenzwerte überschreiten und sogar dazu führen können, dass der Empfänger die Signale der Satelliten nicht mehr erfassen kann. Das Galileo-Integritätssystem (und das zukünftige GPS-Integritätssystem sollten große ionosphärische Störungseffekte erkennen und Warnungen ausgeben.
Störquellen unbeabsichtigter, vom Menschen verursachter Störungen können Fernsehübertragungen, Mikrowellenkommunikation, sowie Schiffs- und VTS-Radare sein.
Beim Spoofing wird durch manipulierte Signale dem Empfänger eine falsche Position übermittelt oder das Zeitsignal gezielt manipuliert. Es ist technisch möglich, den Empfang von GNSS in einem Umkreis von einigen 100 m bis hin zu einigen 100 km zu stören bzw. zu unterbinden. Auch besteht die seltene Möglichkeit den GNSS-Empfänger durch die verfälschte Wiedergabe der Satellitennavigationssignale zu täuschen. Sowohl im Stör-, als auch im Täuschungsfall können die Empfänger Positionsinformationen ausgeben, die nicht der wahren Position entsprechen. Flugzeuge oder Schiffe können so vom Kurs abgebracht werden. Die Schwierigkeit besteht in diesen Fällen darin, die fehlerhafte Positionsangabe zu bemerken und entsprechende Vorsicht walten zu lassen.
Die Folgen von Spoofing sind weitaus schwerwiegender als die von Störsignalen. Wenn die falschen Signale nicht von den echten zu unterscheiden sind und eine Position angeben, die nahe genug ist, um glaubhaft zu sein, ist sich der Benutzer der Täuschung möglicherweise nicht bewusst und könnte in Gefahr geraten. Die maritime Welt ist sehr anfällig für Störeffekte auf Navigations-, AIS- und GNSS-Geräte. Die Manipulierung von Zeitsignalen können GNSS-synchronisierte Leuchtfeuer beeinträchtigen.

Maßnahmen zur Risikominderung

Die Verwendung von GNSS-Empfängergeräten mit den neuesten Leistungsstandards, verringert die Anfälligkeit für Störungen erheblich. Zukünftige Systeme mit verbesserter Empfängerausgereiftheit und zusätzlichen Betriebsfrequenzen können die Auswirkungen einiger der Bedrohungen bis zu einem gewissen Grad mildern. Backup-Systeme und redundante oder zusätzliche Systeme wie GLONASS, BEIDOU und Galileo erhöhen die Betriebssicherheit weiter. Gegenmaßnahmen gegen Störsender und Interferenzen werden derzeit weiter entwickelt. Die Anfälligkeit des Systems, insbesondere gegenüber vorsätzlichen Angriffen, kann jedoch nicht vollständig beseitigt werden.
Das beste Notfallsystem, das bei einem GNSS-Ausfall eine Navigation ermöglicht, ist das System aus Leuchtfeuern und Tonnen, das an den meisten Küsten und Wasserstraßen der Welt vorhanden ist.