Kategorie Innovation & Technologie - 15. August 2017

Galileo-Satelliten: Europas Suche nach Navigationssignalen

Venedig/Wien – Was haben das Rasenmähen auf Golfplätzen und die genaue Vermessung der globalen Plattentektonik gemeinsam? Genau: Beide Tätigkeiten greifen heute auf globale Satellitennavigationssysteme (GNSS) zurück. Dutzende Satelliten im Orbit senden ständig Funksignale Richtung Erde, in denen die genaue Zeit und Position kodiert ist. Ein Empfänger kann aus vier dieser Signale eine exakte Position ermitteln.

Zum US-amerikanischen GPS, dem russischen Glonass und dem chinesischen Beidou haben sich in den vergangenen Jahren die Satelliten des europäischen Galileo-Systems gesellt. Seit Dezember 2016 – und mit einiger Verspätung – stellt das zivile, von der EU und der Europäischen Weltraumorganisation Esa umgesetzte Projekt erste Services zur Verfügung.

Was in den USA ursprünglich für militärische Zwecke entwickelt wurde, brachte eine unüberschaubare Zahl von Anwendungen in Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft hervor. Europas GNSS-Agentur GSA rechnet bis 2022 mit sieben Milliarden in Einsatz befindlicher Empfangsgeräte. Der globale Markt soll bis dahin 250 Milliarden Euro erreichen.

Unverzichtbare Technologie

Logistik, Straßen- und Flugverkehr sind genuine Anwendungsbereiche der Positionsbestimmung. Der Trend zu autonomen Fahrzeugen und Drohnen macht die Technologie noch unverzichtbarer. Die Satellitensignale takten unsere Energie- und Kommunikationssysteme, sorgen für genaues Klimawandelmonitoring und erlauben, dass das Handy anzeigt, wo das nächste Restaurant ist. Es ist ein Stück Weltraumtechnik, das zu einer Vielzahl der Bürger auf der Erde vordringt. Österreich ist gerade in der Entwicklung nachgeordneter Services stark engagiert. Projekte werden unter anderem im Rahmen des von der FFG abgewickelten Weltraumprogramms Asap vom Verkehrsministerium gefördert.

„Die Anwendungen sind weniger durch die Technologie als durch die Vorstellungskraft begrenzt“, sagt Günter Hein. Der emeritierte Wissenschafter der Universität der Bundeswehr München blickt auf mehr als 200 Forschungsprojekte in der Satellitennavigation zurück. Gemeinsam mit dem französischen Ingenieur Laurent Lestarquit, dem Spanier José-Ángel Ávila-Rodríguez und Kollegen hat er jene Signale entwickelt, die die Galileo-Satelliten aussenden.

Sie alle sitzen an einem Tag im Juni um einen Tisch in einem Hotel in Venedig, um Journalisten einen Rückblick auf ihre einflussreiche Entwicklung zu geben. Der Anlass: Sie sind für den Europäischen Erfinderpreis nominiert, den sie tags darauf in der Kategorie „Forschung“ auch zugesprochen bekommen. Die Wissenschafter geben sich keineswegs bescheiden: Im Vergleich mit den Konkurrenzsystemen habe man mit der Galileo-Technik die Führung übernommen. „Wir haben einen neuen weltweiten Standard geprägt“, sagt Hein.

Vollgepacktes Frequenzband

Das neue Signal musste eine ganze Reihe von Bedingungen erfüllen. Die technischen Probleme begannen bereits bei der Auswahl des Frequenzbereichs. „Das zur Verfügung stehende Frequenzband ist so vollgepackt, es sieht aus wie moderne Kunst“, so Hein. „Es ist eine unserer Errungenschaften, dass wir durch die Nutzung der freien Lücken und störungsfreien Überlagerungen von Signalen trotzdem eine höhere Genauigkeit als alle bisherigen Systeme erreichen konnten.“

Man musste ein Signal mit großer Bandbreite platzieren, das sowohl mit GPS als auch mit Glonass und Beidou kompatibel ist. Sicherheitsauflagen waren zu berücksichtigen. Und dennoch durfte die Lösung nicht zu komplex sein. „Wir hatten zwischenzeitlich etwa ein Signal entwickelt, das auf dem Papier großartig aussah, aber die Ressourcen eines Satelliten völlig überforderte.“

Fragen der Koexistenz

Eine der ersten großen Herausforderungen war allerdings nicht rein technischer Natur: „Ab dem Jahr 2000 haben wir vier Jahre lang mit den Amerikanern über eine, wie ich es nenne, freundliche Koexistenz beider Signale‘ verhandelt“, blickt der Wissenschafter zurück. „Wir mussten Signale finden, mit denen wir andere nicht stören, aber auch selbst nicht gestört werden.“

Der Kompromiss am Ende war nicht optimal. Das Vertragswerk beinhaltete allerdings eine Klausel, wonach die USA ein besseres Signal akzeptieren würden, sollten die europäischen Forscher eines nachreichen – was eineinhalb Jahre später geschah. „Wir mussten nun zusätzlich noch rückwärts kompatibel zur ursprünglich Idee sein, weil die Industrie bereits mit ihren Entwicklungen begonnen hatte“, erinnert sich Hein.

Die von der Gruppe entwickelte Signaltechnik setzt sich aus zwei Subsignalen zusammen: einem Schmalbandsignal (Composite Binary Offset Carrier, CBOC), das auch von heutigen Empfängern leicht zu verarbeiten ist, und einem Signal mit größerer Bandbreite, das neue Highend-Technologien bedienen soll (Alternative Binary Offset Carrier, Alt-BOC). „Der CBOC-Standard, der auf den Massenmarkt abzielt, ist genauer und stabiler als die bisherigen Entwicklungen – auch als GPS“, sagt Lestarquit.

Deshalb hätten sich die Mitbewerber in den USA und China von der europäischen Arbeit „inspirieren“ lassen. Dort will man Variationen von CBOC in den eigenen Systemen etablieren – was allerdings Jahre dauern wird. Lestarquit: „Man kann sagen, wir sind hier ein Jahrzehnt voraus.“

Verzögerungen, Pannen

Solche Ansagen klingen konträr zu Nachrichten, die vor allem Verzögerungen, Pannen und Finanzierungsprobleme bei Galileo thematisierten. So ging das System zumindest acht Jahre verspätet an den Start, Atomuhren an Bord fielen aus, und bis jetzt ist die Zahl an Empfangsgeräten noch recht überschaubar. Darauf angesprochen, kontern die Forscher mit dem Vergleich mit dem US-System, das mehr als 23 Jahre brauchte, bis es 1993 an den Start ging. „Europa ist sehr selbstkritisch. Dabei waren wir schneller und günstiger als die USA.“

2020 soll der Vollausbau von Galileo erreicht sein. 18 der 30 Galileo-Satelliten sind nun im Orbit. Die nächsten vier Satelliten sollen im Dezember 2017 von Französisch-Guyana per Ariane-5-Rakete ins All starten – eine Verschiebung: Eigentlich hätten sie am 9. August starten sollen. (Alois Pumhösel, 15.8.2017)