Starlink statt GPS?

03.03.2022 / Dr. Joachim Wetzlar

Joachim Wetzlar

In den IEEE Transactions [1] berichteten kürzlich Forscher der University of California in Irvine (UCI), dass es ihnen gelungen war, eine Position auf wenige Meter genau unter Zuhilfenahme der Starlink-Satelliten zu bestimmen. Satellitenortung ganz ohne GPS oder konkurrierende Systeme (der Oberbegriff dafür lautet „Global Navigation Satellite System“, GNSS), wie ist das möglich? Ich bin der Sache nachgegangen.

Zunächst interessiert es Sie vielleicht, wie GPS funktioniert: Alle Satelliten senden regelmäßig und gleichzeitig (!) Funksignale auf derselben Frequenz aus. Damit Ihr GPS-Empfänger am Boden die Signale voneinander unterscheiden kann, kodiert jeder Satellit sein Signal mit einem individuellen Code (Code-division Multiple Access, CDMA).

Da die Satelliten in der Regel unterschiedlich weit von Ihrem Empfänger entfernt sind, werden die Funksignale auch zu unterschiedlichen Zeiten eintreffen. Die Zeitdifferenzen entsprechen Entfernungsdifferenzen. Alle Orte mit derselben Entfernungsdifferenz zu zwei Satelliten liegen auf einem Hyperboloid. Mit vier Satelliten erhalten wir drei sich in einem Punkt schneidende Hyperboloide [2].

Damit das funktioniert, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:

  1. Die Signale müssen gleichzeitig ausgesandt werden. Zu diesem Zweck verfügt jeder GPS-Satellit über ein hochgenaues Rubidium- oder Caesium-Zeitnormal („Atomuhr“).
  2. Der exakte Ort jedes Satelliten muss dem Empfänger bekannt sein. Zu diesem Zweck übermittelt jeder Satellit etwa alle 12 Minuten seine Bahndaten an den Empfänger („Almanach-Daten“).

Wie sind nun die Forscher der UCI vorgegangen? Schließlich hat Elon Musk seinen Satelliten weder Atomuhren spendiert noch senden sie Almanach-Daten aus. Letztere bekommt man – offenbar mit ausreichender Genauigkeit –  aus öffentlich verfügbaren Quellen, z.B. bei [3]. Und statt Laufzeitdifferenzen haben sich die Forscher die Frequenzverschiebung der Satellitensignale durch den Dopplereffekt zunutze gemacht.

Den Dopplereffekt kennen Sie vom Krankenwagen: Kommt er Ihnen entgegen, klingt das Martinshorn viel höher, ist er schließlich vorbeigefahren, klingt der Ton tiefer. Dieser Effekt tritt auch bei Satelliten auf, immerhin fliegen sie deutlich schneller als jeder Krankenwagen. Die Kunst der Forscher bestand nun darin, die Dopplereffekte mehrerer Satelliten zu messen und so zu verknüpfen, dass sich der Empfängerstandort errechnen ließ. Der Positionsfehler soll weniger als 8 Meter betragen haben.

Wozu das Ganze? Haben die Ergebnisse der UCI mehr als nur akademische Bedeutung? Vielleicht, denn alle GNSS sind letztlich staatliche Projekte. Neben den USA lassen die EU, Russland und China derzeit entsprechende Satelliten fliegen. In den Anfangsjahren haben die USA ihr GPS künstlich ungenau gemacht; nur eigene Militärs konnten damals die volle Genauigkeit nutzen. Niemand weiß, ob derlei nicht eines Tages wieder geschieht.

Die Hoffnung ist, mit Starlink statt von staatlicher Willkür von privatwirtschaftlicher Willkür abhängig zu sein. Doch auch konkurrierende Systeme für Satelliten-Internet ließen sich nutzen. Satelliten-Internet wird es so lange geben, wie sich damit Geld verdienen lässt. Und nicht zuletzt funktioniert die Ortsbestimmung ohne weitere Technik auf den Satelliten. Ich bin gespannt, ob es am Ende eine für jedermann nutzbare Implementierung dieses Ortungs-Konzepts geben wird.

Verweise

[1] https://ieeexplore.ieee.org/document/9541006

[2] https://de.wikipedia.org/wiki/Hyperbelnavigation

[3] https://stltracker.github.io/

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