Definition Was ist ein Global Navigation Satellite System (GNSS)?

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Ein Global Navigation Satellite System ist ein satellitengestütztes System zur Positionsbestimmung. Geräte empfangen die Zeit- und Positionssignale mehrerer Satelliten und bestimmen durch Multilateration ihre eigene Position. Weltweit sind mehrere solcher Systeme wie Galileo, GPS, GLONASS oder BeiDou verfügbar.

Global Navigation Satellite System, abgekürzt GNSS, ist der Überbegriff für ein weltweit verfügbares satellitengestütztes System zur Positions- und Zeitbestimmung. In Deutschland wird umgangssprachlich häufig der Begriff GPS verwendet, was aber falsch ist, da es sich bei dem US-amerikanischen GPS nur um ein einziges von mehreren weltweit verfügbaren und nutzbaren Positionsbestimmungssystemen handelt. Der deutsche Begriff für Global Navigation Satellite System lautet globales Satellitennavigationssystem.

Mit geeigneten Empfängern ausgestattet Endgeräte auf der Erde oder in der Luft empfangen gleichzeitig die von mehreren Satelliten eines GNSS ausgestrahlten Signale und können durch Laufzeitmessung und Multilateration ihre eigene Position im Raum berechnen. Bei den satellitengestützten Positionsbestimmungssystemen handelt es sich um passive Systeme, da die Endgeräte nur Signale empfangen und keine Signale an die Satelliten senden. Weltweit gibt es mehrere Satellitennavigationssysteme. Viele Endgeräte sind mittlerweile in der Lage, die Signale mehrerer Systeme gleichzeitig zu empfangen und sie gemeinsam zur genauen Positionsbestimmung zu verwenden.

Die prinzipielle Funktionsweise eines Global Navigation Satellite System

Ein Global Navigation Satellite System besteht aus mehreren Satelliten, die die Erde in einer Höhe von circa 20.000 Kilometern umkreisen. Die Satelliten senden kontinuierlich Signale aus, die auf der Erde empfangbar sind und die genaue Uhrzeit und Satellitenposition enthalten. Als Frequenzbereiche nutzen die Satellitennavigationssysteme speziell zugewiesene Frequenzbänder zwischen einem und zwei Gigahertz.

Ein Endgerät, das seine Position bestimmen möchte, benötigt entsprechende Empfangstechnik und Rechenleistung, um diese Signale empfangen und verarbeiten zu können. Für eine exakte dreidimensionale Positionsbestimmung müssen die Endgeräte die Signale von mindestens vier Satelliten gleichzeitig empfangen. Über die Kenntnis der genauen Uhrzeit und die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals (Lichtgeschwindigkeit) lassen sich die Laufzeit des jeweiligen Signals und die Entfernung zum sendenden Satelliten berechnen. Aus den berechneten Entfernungen zu drei Satelliten ergeben sich drei Kugeln, die sich an zwei Stellen schneiden.

Über das Signal eines vierten Satelliten lässt sich der korrekte Schnittpunkt ermitteln. Da sich einer der beiden Schnittpunkte in der Regel aber an einer für das Endgerät eher unwahrscheinlichen Stelle befindet, ist die Positionsbestimmung in vielen Fällen prinzipiell auch über den Empfang von nur drei Satellitensignalen möglich. Das Verfahren zu Positionsbestimmung wird Trilateration beziehungsweise Multilateration genannt.

Die Genauigkeit der Positionsbestimmung kann über stationäre, bodengestützte Empfangsstationen und von diesen ausgesandten zusätzlichen Korrektursignalen an die Endgeräte verbessert werden. Die satellitengestützte Positionsbestimmung erreicht Genauigkeiten von einigen Metern bis zu wenigen Zentimetern. Eine sehr genaue Positionsbestimmung kann aber mit zusätzlichen Nutzungskosten verbunden sein oder ist durch die Verschlüsselung von Signalen nur militärischen Anwendungen vorbehalten.

Die derzeit weltweit verfügbaren Satellitennavigationssysteme

Weltweit sind aktuell folgende Satellitennavigationssysteme verfügbar und nutzbar:

• NAVSTAR GPS (Global Positioning System)

• GLONASS (GLObalnaya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)

• Galileo

• BeiDou

NAVSTAR GPS ist das älteste verfügbare GNSS. Das Kürzel NAVSTAR steht für Navigation Signal Timing and Ranging. Die Entwicklung des Global Positioning System reicht bis in die 1970er-Jahre zurück. Das GPS ist seit 1995 für den weltweiten Einsatz verfügbar und wurde von den USA ursprünglich als militärisches Navigationssystem konzipiert und eingeführt. In den GPS-Satelliten kommen Rubidium-Uhren zum Einsatz, die mit bodengestützten Cäsium-Uhren synchronisiert werden. Das GPS erreicht eine hohe Genauigkeit. Die zivile Nutzung von GPS kann prinzipiell jederzeit gesperrt oder künstlich verschlechtert werden.

GLONASS ist ein Satellitennavigationssystem der Russischen Föderation. Die Entwicklung von GLONASS begann ebenfalls bereits in den 1970er-Jahren. Auch GLONASS ging in den 1990er-Jahren in Betrieb und steht sowohl für die zivile als auch für die militärische Nutzung zur Verfügung. GLONASS wird häufig in Kombination mit anderen weltweiten Satellitennavigationssystemen verwendet. Die zivile Nutzung von GLONASS kann wie bei GPS prinzipiell jederzeit gesperrt oder künstlich verschlechtert werden.

Galileo ist ein Satellitennavigationssystem der Europäischen Union. Es ist auf Kompatibilität mit GPS und GLONASS ausgelegt und seit 2016 für die satellitengestützte Positionsbestimmung weltweit verfügbar. Im Gegensatz zum GPS und zu GLONASS soll die zivile Nutzung des Satellitennavigationssystems jederzeit uneingeschränkt möglich sein.

BeiDou ist das Satellitennavigationssystem der Volksrepublik China. Der Name BeiDou steht für das Sternbild des Großen Bären. Das Satellitennavigationssystem ist aus den drei Satellitenkonstellationen BeiDou-1, BeiDou-2 und BeiDou-3 hervorgegangen und erreicht seit BeiDou-3 globale Abdeckung. BeiDou-3 ist seit 2022 für zivile Anwender freigegeben.

Einsatzbereiche und Anwendungen der globalen Satellitennavigationssysteme

In ihren Anfängen war die satellitengestützte Positionsbestimmung nur einem begrenzten Anwenderkreis zugänglich. Doch längst ist die Nutzung des GNSS im Alltag angekommen und aus diesem kaum noch wegzudenken. So besitzt mittlerweile jedes Smartphone GNSS-Funktionalität und nutzt diese für diverse Anwendungen. Typische Einsatzbereiche und Anwendungen der globalen Satellitennavigationssysteme sind:

• Navigation und Routenfindung für Fahrzeuge (Auto, Flugzeug, Fahrrad etc.) und Fußgänger

• Vermessungs- und Kartierungsanwendungen

• Verkehrsleitsysteme

• Logistik (zum Beispiel Nachverfolgung und Optimierung von Lieferwegen)

• Landwirtschaft (zum Beispiel zur positionsabhängigen Steuerung von landwirtschaftlichen Geräten)

• Synchronisation von Stromnetzen

• Synchronisation von Geldautomaten

• Protokollierung von Ereignissen mit genauer Zeitbasis

• militärische Anwendungen wie der Einsatz von Lenkwaffen

• Ortung von Gegenständen oder Personen

• Geotagging von Nachrichten, Fotografien oder anderen Objekten

• Anwendungen in der Raumfahrt

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