Quelle: Technische Universität München 4. September 2024.

4. September 2024 – Wie verläuft der kürzeste Weg zur nächsten Haltestelle oder zum verabredeten Treffpunkt? Global Positioning Systeme (GPS) sind für die meisten eine Selbstverständlichkeit geworden. Bisher gab es allerdings nur Vermutungen darüber, wie viele GPS-Satelliten wirklich benötigt werden, um die Position eines Handys oder eines anderen Navigationsgeräts exakt zu bestimmen. Forschende der Technischen Universität München (TUM) und der Eindhoven University of Technology (TU/e) haben nun den Beweis erbracht, dass ab einer Anzahl von fünf Satelliten der genaue Standort in den allermeisten Fällen bestimmt werden kann. Derzeit ist in der Regel nur der Kontakt zu vier Satelliten sichergestellt.

In der Regel geben uns Global Positioning Systeme bis auf weniger Meter genau unseren Standort an. Jeder kennt aber auch Situationen, in denen die Ortung nur auf einige hundert Meter genau angezeigt wird oder der Standort sogar falsch ist. Ein Grund hierfür kann die geringe Anzahl oder ungünstige Anordnung der Satelliten sein, zu denen das Navigationsgerät gerade Sichtkontakt hat.

Wie funktioniert GPS?
GPS-Satelliten sind mit einer extrem präzisen Atomuhr ausgestattet und kennen ihre Position zu jeder Zeit. Sie senden die Uhrzeit und ihren Standort kontinuierlich über Funkwellen. Ein Handy oder ein anderes Navigationsgerät empfängt diese Signale von allen Satelliten, zu denen es Sichtkontakt hat. Die Differenz zwischen der Ankunftszeit auf der lokalen Uhr des Empfängers und der von der Satellitenuhr aufgezeichneten Sendezeit entspricht der Zeit, die das Signal vom Satelliten zum Empfänger benötigt. Da sich Funkwellen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, errechnet sich hieraus die zurückgelegte Strecke. Aus den Positionen der Satelliten und der zurückgelegten Strecke wird über ein Gleichungssystem die Position des Empfängers bestimmt.

Nicht berücksichtigt wird bei dieser vereinfachten Darstellung, dass die lokale Uhr des Empfängers keine Atomuhr ist. Geht diese nur eine Millionstel Sekunde falsch, entsteht bei der Positionsbestimmung eine Ungenauigkeit von mindestens 300 Metern. Das GPS-Problem besteht nun darin, dass das Handy oder ein anderes Navigationsgerät zusammen mit dem Standort auch die genaue Zeit bestimmen muss – bekannt aus der Relativitätstheorie als sogenannte Raumzeit.

Ist die Anzahl der Satelliten, die sich in Sichtkontakt befinden, zu gering, funktioniert das System nicht mehr zuverlässig und liefert mehrere Lösungen – also unterschiedliche Orte, an denen sich der Empfänger befinden könnte. Dann kann die Situation auftreten, dass beispielsweise ein Handy gar keinen oder den falschen Standort angibt. Bislang wurde nur vermutet, wie viele Satelliten benötigt werden, um für das GPS-Problem eindeutige Lösungen zu erhalten.

Fünf Satelliten für eine genaue Standortbestimmung
Mireille Boutin, Professorin für diskrete Algebra und Geometrie an der TU/e und Gregor Kemper, Professor für algorithmische Algebra an der TUM ist es nun gelungen, mathematisch zu beweisen, dass ab einer Anzahl von fünf Satelliten die exakte Position des Empfängers in den allermeisten Fällen eindeutig bestimmt werden kann. „Auch wenn das schon lange vermutet wurde, hat es bisher niemand geschafft, einen Beweis zu finden. Das war auch nicht ganz einfach: Tatsächlich haben wir über ein Jahr an dem Problem gearbeitet, bis wir soweit waren“, sagt Kemper. Aktuell ist auf der Erde sichergestellt, dass überall und zu jedem Zeitpunkt vier Satelliten in Sichtkontakt stehen. „Bei nur vier Satelliten scheint es ganz grob gesprochen so zu sein, dass die Wahrscheinlichkeit für eine eindeutige Lösbarkeit des GPS-Problems bei 50 Prozent liegt. Das zu beweisen ist eines unserer nächsten Projekte“, so Kemper. Bei drei oder weniger Satelliten im Sichtbereich funktioniert GPS-Navigation definitiv nicht.

Geometrie und Eindeutigkeit
Gelungen ist den Forschenden der Beweis, indem sie das GPS-Problem geometrisch charakterisierten. Sie fanden heraus, dass die Position des Empfängers nicht eindeutig bestimmt werden kann, wenn die Satelliten auf einem sogenannten zweischaligen Rotationshyperboloid liegen. Hierbei handelt es sich um eine gekrümmte Fläche, die in alle Richtungen geöffnet ist. Obwohl dies zunächst ein theoretisches Ergebnis ist, hat es praktische Auswirkungen, denn es ermöglicht, Ungenauigkeiten in der Positionsbestimmung besser zu verstehen.

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• GPS

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 14. Mai 2024.

14. Mai 2024 – Es ist dunkel geworden, auf einem Campingplatz in der Fränkischen Schweiz herrscht unter sternklarem Himmel reger Abspühlbetrieb, entfernt gerät ein Gaskocher ins Straucheln. Auf den Wiesen, umgeben von sanften Hügeln und schroffen Felsen, tummeln sich hunderte beleuchtete Zelte. Dieses Farbenmeer ist man im Trubachtal bereits gewohnt, denn hier liegt das Basecamp der fränkischen Sportkletterei. Die Atmosphäre nimmt auf einem Mal eine Wendung, inmitten eines aufgeregten Stimmgewirrs stehen Menschen instinktiv auf und scannen die Umgebung, andere deuten entschlossen in den Himmel. Über den bewaldeten Hügeln im Norden ist ein rötliches Wabern zu erkennen, als glühe der Himmel, nicht wenige vermuten einen Waldbrand. Von einer kleinen Gruppe am Rande ertönt ein tiefes Raunen, sie haben eine Spiegelreflexkamera auf den Himmel gerichtet und ein pink-rotes Farbenmeer mit vielen Nuancen und Farbverläufen eingefangen, das sich in senkrechten Streifen über den gesamten nördlichen Horizont zieht.

Ein geomagnetischer Sturm höchster Stufe
Das Maximum eines geomagnetischen Sturms der höchsten Stufe G5 ereignete sich am Samstag, den 11. Mai 2024. Das Space Weather Prediction Center der National Oceanic and Atmospheric Administration veröffentlichte um 13:28 Uhr Mitteleuropäischer Zeit eine Eilmeldung zu diesem außergewöhnlichen Ereignis. Hervorgerufen durch eine Serie von Massenausbrüchen auf der Sonne haben sich Pakete geladener Teilchen schon wenige Tage zuvor auf den Weg zur Erde gemacht und trafen am 11. Mai mit voller Wucht deren Magnetosphäre. Die Folge waren Polarlichter, die sogar in Süddeutschland mit bloßem Auge zu sehen waren. Energieversorger hatten alle Hände voll zu tun, um das Stromnetz stabil zu halten, und auch die Starlink-Flotte war dem Ereignis fast schutzlos ausgeliefert.

„Es braucht einen wirklich starken Sonnensturm, damit man auch in Süddeutschland Polarlichter sieht.“
Ist die Sonne besonders aktiv, bläst sie geladene Teilchen in heftigen Schüben ins All, teils auch in Richtung der Erde. Das Erdmagnetfeld wirkt wie ein Schutzschild gegen dieses Bombardement, denn Magnetfelder beeinflussen nach den Gesetzen der Elektrodynamik die Bewegung solcher Teilchen. Genauer: Das Erdmagnetfeld fängt die Teilchen ein und wird durch den Druck des Ladungsstroms auch mal ordentlich gequetscht. An den Polen führen die Feldlinien des bipolaren Magnetfeldes das Teilchenplasma in tiefe Atmosphärenschichten. Trifft es dort auf Sauerstoffmoleküle, regt es diese ab einer Entfernung von etwa 100 Kilometern über dem Erdboden zum Leuchten an, meist in der vom menschlichen Auge gut wahrnehmbaren grünlichen Farbe. „In niedrigeren geographischen Breiten schützt das Erdmagnetfeld stärker“, sagt Sami Solanki. Er ist Direktor am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung und leitet die Abteilung Physik der Sonne und der Heliosphäre. „Es braucht schon einen wirklich starken Sonnensturm, damit man auch in Süddeutschland Polarlichter sieht.“ Südlich des Nordpols gelangen die geladenen Teilchen nur bis in die oberen Schichten der Atmosphäre, mehr als 300 Kilometer über dem Grund. Dort ist die Sauerstoffdichte geringer, weshalb der angeregte Sauerstoff nicht grünlich, sondern rötlich leuchtet. Trifft ein extremer geomagnetischer Sturm wie am 11. Mai 2024 auf die Erde, mischen sich grüne und rote Aurorae zu einem Farbspektakel mit vielen Abstufungen, darunter auch Pink.

„Dass uns etwas treffen wird, war abzusehen. Dass es so heftig sein würde, konnte man nicht genau vorhergesagen“, sagt Sami Solanki. Zahlreiche Observatorien beobachten die Sonne und ihre Aktivität pausenlos. Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) etwa betreibt mit dem Space Weather Service Network eine Wettervorhersage für das Sonnensystem. Wenn sich auf der Sonne etwas zusammenbraut, sieht man das auf Fotos der Sonnenoberfläche. Wer die Sonnenoberfläche mit einem speziellen Sonnenteleskop beobachtet (bitte nie ohne fachkundige Anleitung auf die Sonne schauen), hat im Schnitt alle elf Jahre gute Chancen, vermehrt Sonnenflecken zu entdecken. „Je mehr Sonnenflecken sich tummeln und je komplexer die Region aufgebaut ist, desto aktiver ist sie“, sagt Solanki.

Peitschenhiebe in Richtung Erde
Spezielle Instrumente sehen noch mehr: Über den Sonnenflecken strömt hell leuchtendes Plasma aus, macht einen weiten Bogen und verschwindet in der Nähe wieder in der Sonne. Hinter den Schleifen und Bögen verbirgt sich das Magnetfeld der Sonne. Auch hier gilt: Das Plasma der Sonne, also Protonen, Elektronen und andere elektrisch geladene Atome, bewegt sich vornehmlich entlang der Magnetfelder. „Es ist, als wäre das Magnetfeld im Plasma der Sonne eingefroren“, sagt Sami Solanki. Das Magnetfeld der Sonne spielt eine Schlüsselrolle bei der Entstehung der Polarlichter: „Es ist viel komplexer und dynamischer als das Magnetfeld der Erde.“ Die Sonne rotiert und mit ihr das Plasma in ihrem Inneren, als hätte man ein Goldfischglas einmal kräftig umgerührt. Die Magnetfelder, die so entstehen, wickeln sich durch die Rotation des Plasmaballs regelrecht auf – ein Wirrwarr an Feldlinien, die sich vor allem über Sonnenflecken auch mal kreuzen. Dabei kommt es auch zu magnetischen Kurzschlüssen, die einen Schwall geladener und magnetisierter Teilchen ins All schleudern. Die magnetischen Pakete, die hier buchstäblich geschnürt wurden, erreichen Geschwindigkeiten von Hunderten bis Tausenden Kilometern pro Sekunde, das sind mehrere Millionen Kilometer pro Stunde. Solche Auswürfe nennt man auch Coronal Mass Ejections, sie erreichen die Erde je nach Geschwindigkeit innerhalb eines Tages oder weniger Tage. „Das macht eine genaue Vorhersage schwer“, so Solanki. Unklar ist auch, wie viele Teilchen ein Ausbruch tatsächlich mit sich bringt.

Letzte Gewissheit liefern den Weltraum-Wetterdiensten Satelliten, die sich ständig auf der Achse zwischen Erde und Sonne aufhalten. Sie vermessen den Sonnenwind im Detail. Vom Zeitpunkt der Messung an dauert es 15 bis 60 Minuten bis der magnetische Teilchensturm auf die Erdatmosphäre peitscht. Daher gibt es Vorhersagen für Polarlichter meist nur etwa 30 Minuten im Voraus. Ein Richtwert für einen nahenden Weltraum-Sturm ist auch der sogenannte Kp-Index. Je höher dieser Wert, desto stärker ist das Erdmagnetfeld gestört und desto höher ist auch die Wahrscheinlichkeit für Polarlichter. Schon am 10. Mai 2024 beobachtete das Space Weather Network der ESA, wie der Kp-Wert steil nach oben schoss. Überraschend war, dass der Kp-Index Werte von 7 und mehr erreichte und dass das Bombardement zwei bis drei Tage anhielt. Grund dafür war eine höchst aktive Region auf der Sonne, die wenige Tage zuvor eine ganze Serie von Auswürfen in Richtung Erde abgestoßen hat. Dass diese im Erdmagnetfeld gar einen geomagnetischen Sturm der Klasse G5 auslösten, könnte daran gelegen haben, dass sie nicht wie so oft nacheinander eintrafen, sondern nach einer wahren Aufholjagd fast gleichzeitig und mit geballter Wucht ins Ziel rauschten.

Werden wir weiterhin Polarlichter sehen?
Ob man Polarlichter zu Gesicht bekommt oder nicht, hängt von vielen Faktoren ab und ist – wie so oft in der Natur – ein Spiel der Wahrscheinlichkeiten. „Trifft ein Teilchenstrom die Erde am Vormittag, ist es eher unwahrscheinlich, Nachts noch etwas zu sehen“, so Solanki. Auch hänge das atmosphärische Leuchtphänomen stark davon ab, wie das mitgeführte Magnetfeld des Sonnenwinds zu dem der Erde ausgerichtet ist. Eine aktive Sonne sei übrigens keine Garantie für eine Aurora Borealis, so Solanki. „Im Gegenteil: Es kann auch bei niedriger Sonnenaktivität einen starken Ausbruch geben. Es ist also schwer abzusehen, ob und wie stark die Erde in den nächsten Wochen oder Monaten getroffen werden wird und ob Polarlichter in Deutschland nochmal zu sehen sein werden.“ Die Aktivität der Sonne folgt im Durchschnitt einem 11-Jahres Zyklus. Dieser ist aber alles andere als in Stein gemeißelt, in Wahrheit folgt alle 9 bis 13 Jahre ein Maximum auf das nächste. So könnte das Aktivitätsmaximum mit dem geomagnetischen Sturm Mitte Mai bereits überschritten worden sein oder noch folgen. Ein gelegentlicher Blick auf die Vorhersageportale lohnt sich: Das sogenannte Polarlichtoval zeigt an, wo man bei einer sternklaren Nacht Glück haben könnte. Und manchmal zieht sich die Wahrscheinlichkeitsverteilung vom Polarkreis bis weit nach Süden. „Deutschland erstreckt sich Hunderte Kilometer von Nord nach Süd, insofern hat man an der Nordsee häufiger Glück als in Bayern“, sagt Sami Solanki.

Nah am Blackout vorbeigeschrammt
Polarlichter sind ein Schauspiel mit Gänsehautgarantie, keine Frage. Sie machen aber auch eine Bedrohung sichtbar, die schnell verheerende Auswirkungen auf unseren Alltag haben kann. Eine Studie der Europäischen Weltraumorganisation beziffert den sozioökonomischen Schaden, den ein einzelnes, fatales Weltraumwetterereignis in Europa anrichten kann, auf rund 15 Milliarden Euro. Als die Erde zuletzt 2003 von einem derart extremen Sonnensturm getroffen wurde, brachen in Schweden Teile des Stromnetzes zusammen. Nach den gleichen Regeln der Elektrodynamik, nach denen das Erdmagnetfeld durcheinander gerät, wenn eine Ladungswolke von der Sonne darüber hereinbricht, kann das sich verändernde Magnetfeld wiederum den Elektronen in Stromtrassen auf der Erde zusätzlichen Schwung verleihen. Solche induzierten Stromspitzen sind in der Lage, Transformatoren zu beschädigen und ein Stromnetz lahmzulegen. Dieser Effekt steht in keinem Verhältnis zu und ist viel stärker als gelegentliche Unregelmäßigkeiten in der Stromversorgung durch erneuerbare Energien.

Auch Satelliten geraten bei einem solchen Ereignis unter Stress. Neben der empfindlichen Technik an Bord, die durch beschleunigte Sonnenteilchen beschädigt werden kann, heizen Sonnenstürme die Erdatmosphäre auf, die sich dadurch nach oben ausdehnt. Ein Satellit in einer niedrigen Umlaufbahn wird dann durch die erhöhte Reibung mit den Luftteilchen regelrecht ausgebremst. Ein schwächerer Sonnensturm brachte auf diese Weise im Jahr 2022 gleich 44 Starlink-Satelliten zum Absturz. Während die Starlink-Flotte den Sturm am 11. Mai 2024 unbeschadet überstand, brachte der Teilchenwind auch die Ionosphäre durcheinander, die die kurzwelligen Funksignale zwischen GPS-Satelliten und Empfänger durchqueren müssen. Dies führte bisweilen zu Ungenauigkeiten bei der GPS-Ortung. Dass der außergewöhnlich starke Sturm der Sonne so wenig Schaden angerichtet hat, liegt zum einen daran, dass Energieversorger Stromnetze zunehmend resilient gestalten, zum anderen an der Qualität der Vorhersagen. Diese helfen also nicht nur denjenigen, die Polarlichter sehen wollen, sondern dienen auch der allgemeinen Sicherheit.

Während des nächtlichen Treibens auf dem Zeltplatz in der Fränkischen Schweiz machen inzwischen Posts in den sozialen Medien die Runde, die versichern, dass das Leuchten auch in weit entfernten Städten zu sehen ist. Die Option eines herannahenden Waldbrandes ist also vom Tisch. Lediglich die Navigation zum Kletterfelsen per GPS wird sich am nächsten Morgen noch als schwierig erweisen. Was bleibt, ist eine seltene Gelegenheit zum kollektiven Staunen und Wundern. Das Gemurmel wird sich noch bis tief in die Nacht ziehen. Die einen werden erzählen, wie sie selbst einmal Polarlichter im hohen Norden bestaunt haben, die anderen freuen sich wie die Kinder und mit den Kindern, die einmal länger wach bleiben dürfen.

Hintergrundinformationen und FAQ
Was ist der Unterschied zwischen einem geomagnetischen Sturm und einem Strahlungssturm?
Bei einem Strahlungssturm werden geladene Teilchen, also Elektronen oder Protonen, auf besonders hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Die Ursache dafür sind magnetische Ausbrüche auf der Sonne, die auch Massenauswürfe zur Folge haben. Strahlungsstürme werden von der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) in S-Klassen eingeordnet (S1 bis S5).

Ein geomagnetischen Sturm führt ebenfalls geladene Teilchen mit sich, diese sind in einem massiven Plasmapaket magnetisch eingeschlossen, welches das Erdmagnetfeld beim Auftreffen stört. Diese Art der Stürme sind die Folge von Coronalen Massenauswürfen der Sonne und werden von der NOAA in G-Klassen eingeordnet (G1 bis G5).

Wie schützen sich Astronautinnen und Astronauten vor Sonnenstürmen?
Stark beschleunigte Teilchen sind eine besondere Gefahr für Astronautinnen und Astronauten, die sich jenseits des schützenden Erdmagnetfelds aufhalten. Diese Teilchen dringen tief in menschliches Gewebe ein und können etwa die DNA schädigen. Laut der NASA bestand beim Sonnensturm vom Mai 2024 keine direkte Gefahr für die Crew der Internationalen Raumstation. Hier handelte es sich um einen extremen geomagnetischen Sturm aber nur um einen moderaten Strahlungssturm der Klasse S1-S2. Im Extremfall gibt es speziell abgeschirmte Bereiche auf der Raumstation, die einen gewissen Schutz bieten. Strahlungsausbrüche der Sonne sind auch eine große Herausforderung für zukünftige bewohnte Stationen auf dem Mond oder dem Mars. Es gibt Vorschläge, wonach langfristig bewohnte Siedlungen etwa unter der Marsoberfläche Schutz finden könnten.

Wie verändert sich die Sonnenaktivität?
Die Sonne verändert ihre Aktivität durchschnittlich in einem 11-Jahres Zyklus. Auf ein Maximum folgt in 9 bis 13 Jahren ein weiteres Maximum. Ein Maß für eine erhöhte Sonnenaktivität sind dabei die Sonnenflecken: Zählt man sie und trägt die Anzahl über die Zeit auf, ergibt sich ein ganz ähnlicher, zyklischer Verlauf wie bei der Strahlungsintensität der Sonne.

Was ist die Ursache für den 11-Jahres Zyklus?
Der Zyklus hat direkt etwas mit dem sich ständig verändernden Magnetfeld der Sonne zu tun. Dieses hat, ähnlich wie die Erde, eine dipolartige Struktur und entsteht durch die Ströme des heißen Plasmas, die im Inneren der Sonne auf und absteigen und sich wie ein Dynamo mit der Rotation der Sonne im Kreis drehen. Alle 9 bis 13 Jahre polt sich dieses Feld vollständig um.

Warum sich das Magnetfeld umpolt, ist nicht abschließend geklärt. Plausibel aber erscheint dieses Szenario: Die geladenen Teilchen im Sonnenplasma und das Magnetfeld der Sonne können sich nicht gegeneinander bewegen. „Das Plasma ist im Magnetfeld eingefroren“, so beschreibt es Sami Solanki. Die Sonne ist kein starrer Körper, sondern ein Gasball, der durch seine eigene Schwerkraft zusammenhält. Hier rotiert der Äquator schneller um die Sonnenachse als die Polregionen. „Diese differentielle Rotation führt dazu, dass sich das ursprünglich dipolartige Magnetfeld aufgewickelt“, so Solanki weiter. Das Magnetfeld der Sonne verwandelt sich so in fünf bis sechs Jahren von einem Dipol in ein sogenanntes toroidal-dominiertes Magnetfeld. Beim weiteren Umschwenken hin zu einem Dipolfeld umgekehrter Polarität, könnte laut Solanki die Corioliskraft eine Rolle spielen.

Das Aktivitätsmaximum der Sonne fällt genau in den Zeitraum, in dem sich ihr Magnetfeld aufwickelt. Diese Umbruchphase ist gezeichnet durch turbulente Feldkomponenten und sich dynamisch überlagernde Feldlinien. Wenn sich diese einschnüren, entstehen magnetische Kurzschlüsse. Dabei wird so viel Energie freigesetzt, dass das Plasma mit samt des abgeschnürten Magnetfelds ins Weltall spratzt.

Verändert sich auch die Wärmeeinstrahlung der Sonne?
Ohne das wärmende Licht der Sonne, wäre es auf der Erde mit etwa -19 Grad Celsius sehr kalt. Der natürliche Treibhauseffekt speichert dabei insbesondere den wärmenden Infrarotanteil des Sonnenspektrums unter der Glocke der Atmosphäre. Der von der Internationalen Astronomischen Union festgelegte Richtwert für die pro Quadratmeter eingebrachte Sonnenleistung beträgt aktuell 1361 Watt pro Quadratmeter. Auch dieser Wert unterliegt dem 11-Jahres-Zyklus. Er schwankt aber nur um etwa ein Watt pro Quadratmeter zwischen maximaler und minimaler Sonnenaktivität. Unter dem Strich heizt sich die Erde dadurch weder dauerhaft auf noch kühlt sie sich dauerhaft ab.

Dem gegenüber steht der menschengemachte Treibhauseffekt, hervorgerufen etwa durch CO₂ oder Methan (CH₄). Alle menschengemachten Treibhausgase zusammen heizen die Erde um ganze drei Watt pro Quadratmeter auf. Und da die Treibhausgase nicht rückläufig sind (im Gegenteil), bedeutet das eine kontinuierliche Aufheizung. Die 11-Jahres Schwankung der Sonnenaktivität spielt bei der Klimaerwärmung also keine Rolle. Bemerkenswert ist die kurze Zeitskala innerhalb der die Energiebilanz der Erde durch den Menschen verändert wurde.

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• Himmelsschauspiel

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Quelle: ESA 24. Januar 2024.

24. Januar 2024 – Die kürzlich in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Studie wurde von Global Fishing Watch geleitet – einer Organisation, die sich für die Nutzung des Meeres mit mehr Transparenz der menschlichen Aktivitäten auf See einsetzt.

Nicht alle Boote sind gesetzlich verpflichtet, ihre Position anzugeben, aber Schiffe, die nicht in öffentlichen Überwachungssystemen erfasst sind, oft als „dunkle Flotten“ bezeichnet, können Herausforderungen für den Schutz und die Bewirtschaftung natürlicher Ressourcen darstellen.

Mithilfe von Radardaten der Copernicus Sentinel-1-Mission und zusätzlichen optischen Daten der Copernicus Sentinel-2-Mission zusammen mit GPS-Informationen über einen Zeitraum von fünf Jahren konnten Forschende von Global Fishing Watch Schiffe identifizieren, die ihre Positionen nicht angegeben hatten.

Durch die Anwendung von maschinellem Lernen auf die Daten konnten die Forschenden dann schlussfolgern, welches der Schiffe in der Fischerei tätig war.

Die Untersuchung erstreckte sich über den Zeitraum 2017-2021 und beinhaltete Küstengewässer auf sechs Kontinenten, in denen der überwiegende Teil der Fischerei- und Offshore-Infrastruktur konzentriert ist.

Sie fanden zahlreiche unsichtbare Fischereifahrzeuge in vielen Meeresschutzgebieten und eine hohe Konzentration von Schiffen in den Gewässern vieler Länder, die zuvor nur wenig bis gar keine Schiffstätigkeit durch öffentliche Überwachungssysteme zeigten.

Es stellte sich auch heraus, dass mehr als 25 % der Aktivitäten von Transport- und Energieschiffen in den Überwachungssystemen fehlten.

„Auf unseren Meeren zeichnet sich eine neue industrielle Revolution ab, die bislang unentdeckt geblieben ist“, sagte David Kroodsma, Direktor für Forschung und Innovation bei Global Fishing Watch.

„An Land haben wir detaillierte Karten von fast jeder Straße und jedem Gebäude auf dem Planeten. Im Gegensatz dazu ist das Wachstum auf unseren Ozeanen der Öffentlichkeit weitgehend verborgen geblieben. Diese Studie hilft, die toten Winkel zu beseitigen und wirft ein Licht auf die Breite und Intensität der menschlichen Tätigkeit auf See.“

Fernando Paolo, Senior Machine Learning Engineer bei Global Fishing Watch, fügte hinzu: „Historisch gesehen wurde die Schifffahrt unzureichend dokumentiert, was unser Verständnis darüber einschränkt, wie die weltweit größte öffentliche Ressource – der Ozean – genutzt wird.

Durch die Kombination von Weltraumtechnologie und modernstem maschinellem Lernen haben wir bisher unbekannte industrielle Aktivitäten auf See in einem nie dagewesenen Umfang erfasst.“

Öffentlich zugängliche Daten deuten darauf hin, dass Asien und Europa eine ähnliche Anzahl von Fischereifahrzeugen innerhalb ihrer jeweiligen Grenzen haben – dies ist jedoch nicht der Fall.

Jennifer Raynor, Assistenzprofessorin für Naturressourcen-Ökonomie an der Universität Wisconsin-Madison, sagte: „Unsere Kartierung zeigt, dass Asien dominiert. Von zehn Fischerbooten, die wir auf dem Wasser gefunden haben, waren sieben in Asien, während nur eines in Europa war.

Durch die Kenntlichmachung nicht erfasster Schiffe haben wir das umfassendste öffentliche Bild der globalen industriellen Fischerei geschaffen, das es gibt.“

Der Copernicus Sentinel-1-Missionsleiter der ESA, Nuno Miranda, erklärte: „Wir sind über die Ergebnisse der Studie überrascht. Ich glaube nicht, dass irgendjemand erwartet hat, dass 75 % der Schiffe auf See ihre Position nicht übermitteln.

Wir sind sehr stolz auf die wichtige Rolle, die Sentinel-1 bei diesen erstaunlichen Ergebnissen gespielt hat.

Die Mission zeigt, wie die Fähigkeit des Radars, bei jedem Wetter, bei Tag und bei Nacht Bilder zu liefern, in Verbindung mit seinen systematischen und globalen Beobachtungen ein besseres Verständnis für die Auswirkungen des Menschen auf die Umwelt und die natürlichen Ressourcen ermöglicht.“

Neben den Auswirkungen auf Schiffe, die illegal fischen könnten, werden diese Ergebnisse auch dazu beitragen, mehr über die Treibhausgasemissionen auf See zu erfahren.

Die Studie betrachtete auch Offshore-Infrastruktur wie Windräder und Ölplattformen.

Während des Untersuchungszeitraums nahmen die Ölplattformen um 16 % zu, während sich die Zahl der Windturbinen mehr als verdoppelte. Bis 2021 übertreffen die Turbinen die Ölplattformen. Chinas Offshore-Windenergie verzeichnete mit einer Verneunfachung zwischen 2017 und 2021 das stärkste Wachstum.

Diese Daten helfen uns, die Auswirkungen und Trends der Entwicklung verstehen.

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• Copernicus (früher GMES)

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Quelle: Universität Bonn 23. November 2022.

23. November 2022 – Forschende der Universität Bonn haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich der Wasserstand von Flüssen rund um die Uhr überwachen lässt. Der kostengünstige Sensor eignet sich etwa für flächendeckende Hochwasser-Warnsysteme. Die Studie ist in der Zeitschrift Water Resources Research erschienen.

Es gibt eine ganze Reihe von Methoden, den Pegel eines Wasserlaufs zu bestimmen – von sehr einfachen (per Messlatte) bis hin zu High-Tech-Lösungen per Radar. Doch alle haben einen Haken: Die meisten Messgeräte können durch Hochwasser beschädigt werden, viele erlauben keine kontinuierliche Überwachung, ihre Fernablesung gestaltet sich schwierig oder sie sind einfach zu teuer.

In Wesel am Niederrhein verrichtet dagegen bereits seit zwei Jahren ein Messgerät seinen Dienst, das diese Nachteile nicht hat: Es ist kostengünstig, zuverlässig und dazu in der Lage, den Pegelstand per Mobilfunk kontinuierlich an ein Auswertungs-Zentrum zu übermitteln. Damit eignet es sich im Prinzip zur engmaschigen Warnung vor Hochwasser- und Dürre-Ereignissen.

„Kern unseres Geräts ist ein kostengünstiger GNSS-Empfänger“, erklärt Dr. Makan Karegar vom Institut für Geodäsie und Geoinformation der Universität Bonn. Das sind Sensoren, die die Position ihres Standorts auf wenige Meter genau bestimmen können. Dazu nutzen sie unter anderem die GPS-Satelliten der USA sowie ihre russischen Pendants, GLONASS. „Mit Hilfe der Satellitensignale lässt sich aber auch der Abstand der GNSS-Antenne zur Oberfläche eines Flusses messen“, sagt Karegar.

Reflektierte Signale erlauben Rückschlüsse auf den Wasserstand
Denn die von den Satelliten ausgesandten Wellen werden nur zum Teil direkt von der Antenne aufgefangen. Der Rest wird von der Umgebung (in diesem Fall der Wasseroberfläche) reflektiert und gelangt über diesen Umweg zum Empfänger. Dieser reflektierte Anteil ist daher länger unterwegs. Er bildet bei der Überlagerung mit dem direkt empfangenen Signal bestimmte Muster, Interferenzen genannt. Aus ihnen lässt sich der Abstand der Antenne zum Wasserspiegel errechnen.

„Wir können das GNSS-Gerät an jeder Struktur anbringen, sei es einer Brücke, einem Gebäude oder einem Baum oder Zaun neben dem Fluss“, erläutert Karegar. „Von dort kann es berührungslos rund um die Uhr den Flusspegel messen – im Schnitt auf 1,5 Zentimeter exakt. Dabei ist es selbst im Falle eines Hochwassers nicht gefährdet.“ Die Genauigkeit des Verfahrens kommt zwar nicht an die eines radargestützten Pegelmessers heran. Für die angedachten Einsatzzwecke reicht sie aber voll und ganz aus. Zudem ist das Gerät mit knapp 150 Euro auch erheblich günstiger als sein High-Tech-Pendant.

Die GNSS-Antenne ist mit einem Minicomputer verbunden, einem sogenannten Raspberry Pi. „Das Gerät ist etwa so groß wie ein kleines Smartphone; dennoch hat es genug Leistung, um aus den Rohdaten den Wasserstand berechnen zu können“, betont Prof. Dr. Kristine Larson vom Institut für Geodäsie und Geoinformation. Der Minicomputer ist aufgrund seiner Flexibilität und seines geringen Stromverbrauchs unter Bastlern sehr beliebt, die damit verschiedenste Projekte realisieren. Er lässt sich problemlos über Solarzellen mit Strom versorgen und arbeitet dann völlig autark. Seine Messdaten übermittelt er per Mobilfunk.

Informationen zum Nachbau im Internet
„Die von uns geschriebene Software ist Open Source“, erläutert Larson. „Sie kann also von jedem ohne Gebühren genutzt werden.“ Im Internet stellen die Forschenden zudem sämtliche Informationen zu ihrem Projekt bereit. Interessentinnen und Interessenten können das Messgerät also problemlos nachbauen.

Einen Nachteil hat das Verfahren allerdings: Es ist nur für Flussläufe mit einer Breite von mindestens 40 Metern geeignet. „Das ist der kleinste Radius, aus dem die Antenne das reflektierte Satellitensignal empfängt“, sagt Karegar. „Wenn der Wasserlauf zu schmal ist, stammt ein zu großer Anteil der Reflektionen von Uferbereichen.“ Die Beteiligten planen aber, ihren Auswertungscode weiter zu optimieren. Sie hoffen so, auch bei kleineren Flüssen wie der Ahr noch zu sicheren Messergebnissen kommen zu können.

Beteiligte Institutionen und Förderung:
An der Studie war neben der Universität Bonn die Federal University of Rio Grande do Sul in Brasilien beteiligt. Das Projekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), das National Council for Scientific and Technological Development Brasilien (CNPq) sowie die Rio Grande do Sul State Research Funding Agency (Fapergs) gefördert.

Weitere Informationen:
https://github.com/MakanAKaregar/RPR

Originalpublikation:
Makan A. Karegar et al.: Raspberry Pi Reflector (RPR): A Low-cost Water-level Monitoring System based on GNSS Interferometric Reflectometry; Water Resources Research; DOI: 10.1029/2021WR031713; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2021WR031713;

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Quelle: ADVA Optical Networking SE (1. Juni 2022) via Business Wire (2. Juni 2022).

München 1. Juni 2022 –(BUSINESS WIRE)– ADVA (FWB: ADV) hat heute bekannt gegeben, dass das Unternehmen seinen Netzbetreiberkunden ermöglicht, GPS- oder GNSS-Backup-as-a-Service (GBaaS) anzubieten. Eine Vielzahl von Branchen ist zunehmend auf satellitengestütztes Timing angewiesen. Angesichts der zunehmenden Bedrohungen durch Jamming- und Spoofing-Angriffe müssen Betreiber jedoch Wege finden, um alldiejenigen Dienste zu schützen, die auf Positionierungs-, Navigations- und Timing-Informationen (PNT) angewiesen sind. Auch die netzinterne Synchronisation mit NTP und PTP ist zunehmend durch Cyber-Bedrohungen gefährdet. Als Reaktion darauf hat ADVA eine GBaaS-Lösung entwickelt. Damit ermöglichen Diensteanbieter ihren Kunden die Einhaltung neuer Richtlinien und Standards für redundante PNT-Architekturen. GBaaS erfüllt die neuesten PNT-Empfehlungen wie beispielsweise die US Executive Order 13905. Der Einsatz der aPNT+-Technologie von ADVA vermeidet Risiken und Kosten, die sich aus einer Abhängigkeit von GNSS ergeben.

„Die Risiken für die Beeinträchtigung von PNT-Funktionen nehmen global zu, und die meisten kritischen Infrastrukturen sind noch immer nicht ausreichend vor GNSS-Schwachstellen geschützt. Diese Situation kann jedoch grundlegend durch die Bereitstellung von GBaaS durch Diensteanbieter verbessert werden. Unsere aPNT+-Plattform verwendet mehrere Schutzmechanismen wie beispielsweise Multiband-GNSS-Empfänger und KI- und ML-basierte Management-Software. Diese Lösung macht Netze nicht nur widerstandsfähiger gegen Cyberattacken, sondern liefert auch ein hochpräzises Backup beim Ausfall von GNSS“, sagte Gil Biran, GM von Oscilloquartz, ADVA. „Jetzt können Netzbetreiber den aPNT+-Schutz von ADVA im Abonnement als Bestandteil ihrer SLAs anbieten. Damit erreichen Netze ein sehr hohes Maß an Ausfallsicherheit und Zuverlässigkeit. Für eine Vielzahl von Branchen wird dies der einfachste und flexibelste Weg sein, um PNT-Dienste robust und zuverlässig zu machen.“

Die GBaaS-Lösung von ADVA nutzt eine Kombination aus Multi-Layer-Detektion, Multi-Source-Backup und fehlertoleranter Risikominimierung, um Timing-Netze sicherer zu machen. Die Syncjack-Technologie von ADVA ist in alle Synchronisationsgeräte integriert und bietet Informationen für eine umfassende und präzise Überwachung und Analyse der Timing-Qualität. Damit kann die Netzmanagement-Suite Ensemble Sync Director unterschiedliche Timing-Signale im gesamten Netz auf intelligente Weise verwenden und priorisieren. Integrierte Multiband-GNSS-Empfänger erhöhen die Genauigkeit des Timings und schützen vor Angriffen wie Jamming und Spoofing. Falls GNSS nicht verfügbar oder beeinträchtigt sein sollte, stehen redundante autonome Cäsium-Atomuhren in Ergänzung zu anderen Synchronisationsersatzquellen bereit. Damit kann auch während längerer Nichtverfügbarkeit von GNSS ein hochpräzises Timing über das Netz bereitgestellt werden.

„GBaaS ist eine völlig neue Möglichkeit für Netzbetreiber, um kritische PNT-Leistungsmerkmale als Dienst anzubieten. Sie können ihren Kunden unterschiedliche SLAs für ein stabiles und sicheres Timing in zeitkritischen Netzen und Anwendungen gewährleisten. Die Kunden können somit Kosten für eine eigene PNT-Infrastruktur sparen und müssen diese auch nicht betreiben“, kommentierte Nino De Falcis, Senior Director Business Development bei Oscilloquartz, ADVA. „Die Flexibilität und der Schutz durch GBaaS sind wirksame Mittel zur Abwehr böswilliger Akteure, die PNT-Dienste angreifen wollen. Wenn GNSS kompromittiert wird oder aus anderen Gründen nicht verfügbar ist, wird ADVAs robustes Netz mit PTP-Geräten ein Timing sicherstellen und mit umfassendem Backup die dringend benötigte Genauigkeit liefern. Dies können Diensteanbieter ihren Kunden jetzt zusichern.“

Über ADVA
Innovation und der Ansporn, unsere Kunden erfolgreich zu machen, bilden das Fundament von ADVA. Unsere Technologie liefert die Grundlage für eine digitale Zukunft und macht Kommunikationsnetze auf der ganzen Welt leistungsfähiger. Wir entwickeln fortschrittliche Hardware- und Software-Lösungen, die richtungsweisend für die Branche sind und neue Geschäftsmöglichkeiten schaffen. Unsere offene Übertragungstechnik ermöglicht unseren Kunden, die für die heutige Gesellschaft lebenswichtigen Cloud- und Mobilfunkdienste bereitzustellen und neue, innovative Dienste zu schaffen. Gemeinsam bauen wir eine vernetzte und nachhaltige Zukunft. Weiterführende Informationen über unsere Produkte und unser Team finden Sie unter www.adva.com.

Über Oscilloquartz
Oscilloquartz ist ein Vorreiter in der Entwicklung von Lösungen zur Zeit- und Frequenzsynchronisation. Wir entwerfen, produzieren und implementieren durchgängige Synchronisationssysteme, die in traditionellen wie auch fortschrittlichen paketvermittelten Netzen für die Verteilung und Sicherung hochpräziser Taktdaten sorgen. Als Unternehmen von ADVA schaffen wir neue Möglichkeiten für die Netze von morgen. Weitere Informationen finden Sie unter www.oscilloquartz.com.

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• GPS

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Quelle: Airbus Defence and Space.

Ottobrunn/Toulouse, 3. Mai 2022 – Der European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) ist Europas regionales satellitengestütztes Erweiterungssystem (SBAS), das zur Verbesserung der Leistung von Satellitennavigations-Systemen für sicherheitskritische Anwendungen wie die Navigation und Landung von Flugzeugen eingesetzt wird. Die neue EGNOS-Generation V3, die derzeit von Airbus entwickelt wird, wird neue Dienste einführen, die auf mehreren Frequenzen mehrerer Konstellationen (GPS, Galileo) basieren und einen hochentwickelten Sicherheitsschutz gegen Cyberangriffe beinhalten.

Bei der Bewertung der Systemleistung für die ersten Dienste wurde der hohe Reifegrad des Konzepts und seine Eignung für die einwandfreie Erbringung kritischer Navigationsdienste wie Präzisionsanflug und -landung überall in Europa hervorgehoben, unabhängig davon, ob die Flughäfen mit teuren Instrumentenlandesystemen ausgestattet sind (was bei kleineren Flughäfen oft nicht der Fall ist). Die Überprüfung bestätigte, dass EGNOS V3 die Genauigkeit, Kontinuität, Integrität und Verfügbarkeit bieten wird, die für einen sicheren Flugbetrieb bis zur Kategorie I erforderlich sind – mit Margen.

„In diesem Stadium der Entwicklung hat diese Leistungsüberprüfung gezeigt, dass EGNOS V3 Europa einen größeren Nutzen bringen wird“, sagte Didier Flament, Leiter der Abteilung EGNOS & SBAS bei der ESA. „Da die volle Leistung dieser neuen EGNOS-Generation in der folgenden Phase des Projekts noch qualifiziert werden muss, hat dieser erste wichtige Meilenstein der detaillierten Entwurfsphase unsere Erwartungen hinsichtlich aller bewerteten Altlasten erfüllt. Wir freuen uns auf die nächsten Schritte, da wir zuversichtlich sind, dass EGNOS V3 die Anforderungen erfüllen wird.“

Darüber hinaus wird durch die Verwendung von Galileo- und GPS-Signalen zur Überwachung von durch die Ionosphäre verursachten Positionsfehlern die Verfügbarkeit des Dienstes in den westlichen und südwestlichen Randgebieten Europas erhöht. Dadurch wird das Gebiet erweitert, in dem die Landung per Satellitennavigation möglich wird, ohne dass spezielle Bodensysteme erforderlich sind.

„Die Konsolidierung des EGNOS-Dienstgebiets ist für unsere Kunden von Vorteil, da sie damit ihre satellitengestützten Flüge zu noch mehr Zielen unterstützen können“, sagte Hugues de Beco, Leiter der ATM-Programme bei Airbus Commercial Aircraft. „Airbus freut sich sehr, mit der kürzlich erfolgten Zertifizierung der SBAS-Landesysteme für die Airbus-Familien A320 und A330 das Wachstum der EGNOS-Nutzer in der kommerziellen Luftfahrt in Europa zu unterstützen. Wir unterstützen weiterhin die Entwicklung aller Systeme, die zu einem sichereren und nachhaltigeren Luftverkehr beitragen.“

Hintergrund
EGNOS ist eine Komponente des Raumfahrtprogramms der Europäischen Union, mit der die Ortungsdienste des Global Positioning System und von Galileo für die Nutzer von Safety of Life verbessert werden sollen. Es wird im Rahmen der Partnerschaftsvereinbarung zwischen der Generaldirektion Verteidigung, Industrie und Raumfahrt der Europäischen Kommission (DG-DEFIS), der Agentur der Europäischen Union für das Raumfahrtprogramm (EUSPA) und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) verwaltet.

Die in dieser Pressemitteilung geäußerten Ansichten spiegeln in keiner Weise die Meinung der Europäischen Union und/oder der EUSPA wider.
Weitere Informationen über diese Organisationen finden Sie unter:
DG-DEFIS: https://defence-industry-space.ec.europa.eu/index_en
EUSPA: https://www.euspa.europa.eu/
ESA: https://www.esa.int

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• EGNOS

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Quelle: Universität Graz.

19. April 2022 – Den Ausschlag gab die Expertise des Wegener Center in der satellitengestützten Klimabeobachtung. Als Turbo für die Forschung auf diesem Gebiet stellt EUMETSAT gemeinsam mit der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG für die nächsten fünf Jahre 840.000 Euro zur Verfügung. Hinzu kommen 560.000 Euro Eigenleistung der Universität Graz. Nach der ersten Periode und einer Evaluierung besteht die Option auf Verlängerung um weitere fünf Jahre.

„Es war ein herausfordernder Weg im internationalen Wettbewerb mit mehrstufigen Vorprojekten und Begutachtungen. Ich bin begeistert und dankbar, dass wir diesen Meilenstein erreicht haben, der unsere Forschung zu globalen Klimaänderungen auf ein Jahrzehnt maßgeblich stärken wird“, freut sich Projektleiter Gottfried Kirchengast vom Wegener Center, der das Team der Uni Graz anführt. Die Wissenschafter*innen nutzen die Methode der Radio-Okkultation, um die Klimaveränderungen in der Atmosphäre zu beobachten. Dabei werden GPS-Signale von Sender- zu Empfängersatelliten geschickt. Auf ihrem Weg durch die Atmosphäre werden sie von verschiedenen Faktoren, wie etwa Temperatur oder Treibhausgasen, beeinflusst. Aus den Abweichungen lassen sich äußerst genaue Daten über die jeweiligen Klimavariablen in allen Schichten der Atmosphäre ableiten. Die Grazer Forscher*innen zählen dabei zu den weltweit führenden Gruppen, und diese Expertise bringen sie nun im EUMETSAT-Exzellenzzentrum ROM SAF (Radio Occultation Meteorology Satellite Application Facility) ein. Andrea Steiner, Leiterin des Wegener Center, fungiert als Vertreterin der Uni Graz im ROM-SAF-Lenkungsausschuss.

„Dieses Millionenprojekt, auf Schiene gebracht für die nächsten zehn Jahre, sichert dem Wegener Center das Tor zum Weltraum für globales Klima-Monitoring“, unterstreicht auch Joachim Reidl, Vizerektor für Forschung und Nachwuchsförderung der Universität Graz, die Bedeutung der Kooperation. Die langfristige Partnerschaft ermöglicht eine noch wirksamere Vernetzung. „Zum einen haben wir einfacher Zugang zu wichtigen Daten und Analysesystemen von EUMETSAT und den Partnern im Exzellenzzentrum, zum anderen stärkt die Kooperation die Qualität der Forschung sowie die Qualität der Klima-Monitoring-Daten, die den ROM-SAF-Nutzer*innen zur Verfügung stehen“, erklärt Kirchengast.

Die Forschung ist in den Profilbildenden Bereich Climate Change Graz der Universität Graz eingebettet und Teil der Forschungsgruppe Atmosphärenfernerkundung und Klimasystem des Wegener Center. Das Projekt wird aus dem Satellite Application Facilities (SAFs) Programme von EUMETSAT sowie dem Austrian Space Applications Programme (ASAP) der FFG, dotiert aus Mitteln des Bundesministeriums für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie (BMK), finanziert.

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• EUMETSAT

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Quelle: UniBw M.

6. April 2022- Kürzlich berichteten Piloten von Navigationsstörungen in der Nähe der russisch-finnischen Grenze. Der Verdacht liegt nahe, dass es sich dabei um gezielte russische GPS-Störangriffe handelt. Forschende der Universität der Bundeswehr arbeiten daran, solche Störquellen aus dem Weltraum möglichst sensitiv zu detektieren und zu geolokalisieren. Laut den finnischen Behörden ereigneten sich die GPS-Störungen unmittelbar nach dem Treffen der Präsidenten von Finnland und den USA.

Nikolas Dütsch untersucht im Rahmen der dtec.bw-geförderten Kleinsatellitenmission SeRANIS an der Universität der Bundeswehr München solche Störangriffe und erläutert die möglichen Hintergründe dieser Vorfälle: „GPS-Störangriffe können, vereinfacht gesagt, in zwei Kategorien des „Jamming“ und „Spoofing“ unterschieden werden. Beim Jamming wird ein starkes Störsignal in einer Region abgestrahlt, wodurch der GPS Signalempfang blockiert und Empfänger ihre Position nicht mehr berechnen können. Das ist vergleichbar mit zwei Personen, die sich wegen zu viel Lärm nicht mehr unterhalten können“, so Dütsch. Die zwei Personen wären hier im übertragenen Sinne die Satelliten, die die Navigationssignale ausstrahlen und das Navigationsgerät im Flugzeug oder am Boden, das die Signale empfängt und auswertet. Dagegen wird beim Spoofing die Integrität der Positionsinformationen verletzt, in dem manipulierte GPS Navigationssignale ausgestrahlt werden, die zu einer falschen Positionsberechnung am Empfänger führen. Dem Nutzer wird somit eine falsche Position suggeriert. So lassen sich beispielsweise einfache GPS-gesteuerte Drohnen vom Eindringen in bestimmten Gebieten fernhalten.

Störgeräte kann jedermann günstig kaufen
Das Thema ist aktuell wie nie zu vor. „Wir erkennen einen Anstieg solcher Störangriffe auf Navigationssysteme durch Berichte in den Medien“, so Dütsch. Nicht zuletzt liegt das auch daran, dass auch für die private Nutzung, Geräte zum Stören und zum Täuschen für wenige Euro über das Internet bezogen werden können. Das absichtliche Aussenden von Signalen in den reservierten Frequenzbändern für Funknavigationsdienste ist dennoch verboten. „Im Zeitalter des teil- und zukünftigen autonomen Fahrens sind die Verfügbarkeit und die Verlässlichkeit der Positionsinformationen zu jeder Zeit unerlässlich“, so Dütsch. Es gibt aber aus Sicht des Forschers nur wenig Grund zur Sorge: Die meisten Anwendungen nutzen eine Vielzahl weiterer Sensoren, die komplett autark arbeiten können und bei kurzeitigem Ausfall von GPS die Navigationsfähigkeit aufrechterhalten können, wie dies beispielsweise mit Trägheitsnavigationssensoren der Fall ist.

Defekte Geräte können unbeabsichtigt Signale stören
Im Rahmen der Kleinsatellitenmission SeRANIS forscht Dütsch an Methoden, solche Störquellen aus dem Weltall zu detektieren, hochgenau zu geolokalisieren und deren Signalstruktur zu charakterisieren. Dabei handelt es sich aber keinesfalls nur um mutwillige Störquellen. Auch unbeabsichtigt können z. B. defekte Geräte Signale ausstrahlen, die GPS und andere Dienste stören. „Mit der Mission legen wir den Grundstein für die weltweite Erfassung von Jamming und Spoofing Vorfällen und liefern wertvolle Beiträge zu Angriffsvektoren, die u. a. für die Steigerung der Robustheit eingesetzt werden können“, so Dütsch.

Das Forschungsprojekt „Seamless Radio Access Networks for Internet of Space“ (SeRANIS) ist die weltweit erste und einzige Kleinsatellitenmission, die ein öffentlich zugängliches multifunktionales Experimentallabor im erdnahen Orbit bereitstellt. Auf dem Satelliten der Universität der Bundeswehr München werden simultan mehr als zehn innovative Experimente mit Schlüssel- und Zukunftstechnologien wie Mobilfunksysteme der sechsten Generation (6G) und Internet of Things (IoT) durchgeführt. Besondere Schwerpunkte der New Space Mission sind sichere Kommunikationswege und ein nahtloser Übergang zwischen verschiedenen Netzwerken.

Über das dtec.bw – Zentrum für Digitalisierungs- und Technologieforschung der Bundeswehr
Das dtec.bw – Zentrum für Digitalisierungs- und Technologieforschung der Bundeswehr – ist ein von beiden Universitäten der Bundeswehr gemeinsam getragenes wissenschaftliches Zentrum und Bestandteil des Konjunkturprogramms der Bundesregierung zur Überwindung der COVID-19-Krise. Es unterliegt der akademischen Selbstverwaltung. Die Mittel, mit dem das dtec.bw ausgestattet wurde, werden an beiden Universitäten der Bundeswehr zur Finanzierung von Forschungsprojekten und Projekten zum Wissens- und Technologietransfer eingesetzt.

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• GPS

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Quelle: TU Dresden.

15. März 2022 – Jede und jeder kennt die Anekdote von Newton und dem Apfel. Da die Gravitation eine Wechselwirkungskraft ist, wird die Erde auch von dem Apfel angezogen. Damit ist klar, dass auch kleine Massenänderungen zu einer Veränderung des Schwerefelds führen.

Um diese kleinen Änderungen aufzuspüren, war ein Team aus deutschen und argentinischen Wissenschaftlern im südlichen Patagonien, in der argentinischen Provinz Santa Cruz unterwegs. Wissenschaftler der TU Dresden (TUD), des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie (BKG) Leipzig, der Universidad Nacional de La Plata (UNLP) und des Argentine-German Geodetic Observatory (AGGO) haben die fünfwöchige Messkampagne Anfang März 2022 beendet und danach die mehr als 2.700 km lange Rückfahrt von El Calafate nach La Plata angetreten.

Im südlichen Patagonien, im Grenzgebiet zwischen Argentinien und Chile, befindet sich mit den Patagonischen Eisfeldern die größte zusammenhängende Eismasse auf der südlichen Hemisphäre außerhalb Antarktikas. Diese Eisfelder sind erheblichen Massenverlusten ausgesetzt, die größtenteils auf den Klimawandel, aber auch auf die natürliche Klimavariabilität und andauernde dynamische Ausgleichsvorgänge seit dem letzten glazialen Maximum zurückzuführen sind. Welche Anteile diesen verschiedenen Ursachen tatsächlich zugeschrieben werden können, ist eine der wichtigen offenen Fragen, zu denen aktuell geforscht wird und dieses Projekt einen Beitrag liefern soll.

Diese Massenänderungen erreichen eine Größenordnung von bis zu einem Fünftel der Antarktischen Eismassenverluste und bewirken sowohl eine Veränderung des Schwerefelds als auch Deformationen der Erdkruste. Letztere äußern sich in einer Krustenhebung von bis zu 4 cm pro Jahr, ermittelt durch vorhergehende Messungen der TUD-Wissenschaftler. Erschwert wird die Detektion dieser resultierenden Änderungen aber durch eine komplizierte tektonische Situation: Ungefähr 150 km nordwestlich des Nördlichen Patagonischen Eisfelds treffen drei tektonische Platten aufeinander. Wo die divergente Plattengrenze zwischen der Antarktischen und Nazca-Platte unter die Südamerika-Platte abtaucht (subduziert), öffnet sich ein Asthenosphären-Fenster, was zu außergewöhnlichen, bisher nur unzureichend verstandenen Massenumverteilungen im Erdinneren führt.

Als wichtigste Größe wurde der Schwerewert an acht Messpunkten bestimmt, von der Atlantikküste in Puerto San Julian bis zum östlichen Rand des südpatagonischen Eisfelds mit dem Glaciar Perito Moreno als bekanntestem Gletscher. Dafür wurde ein Absolutgravimeter des Typs Micro-g LaCoste FG5 eingesetzt, mit dessen Hilfe es möglich ist, die Schwerebeschleunigung mit einer extrem hohen Genauigkeit von nahezu einem Milliardstel der Erdschwere zu bestimmen. Ergänzt werden diese Messungen durch Relativschweremessungen mit einem Scintrex CG5-Gravimeter zur Bestimmung von lokalen Schweregradienten und Anschlüssen an Sicherungspunkte bzw. Punkte des argentinischen Schwerenetzes (RAGA) sowie durch präzise GPS-Messungen zur Bestimmung der Krustendeformation. Eine Besonderheit stellen Wasserstandsmessungen mittels GPS-Reflektometrie an den großen patagonischen Seen und der Atlantikküste dar: Die indirekt empfangenen, an der Wasseroberfläche reflektierten Signale der GPS-Satelliten werden in der Auswertung dazu genutzt, die Höhe des Wasserspiegels und damit den Gravitationseffekt von Füllstandsänderungen des jeweiligen Gewässers zu bestimmen.

„Um die Schwereänderungen aufgrund der Massenverluste zu detektieren, ist nach dieser bereits zweiten mindestens eine weitere Messkampagne notwendig“, sagt Thorben Döhne, Doktorand an der Professur für Geodätische Erdsystemforschung, verantwortlich vor allem für die Relativschweremessungen. „Allerdings stellen die Wetterbedingungen, vor allem mit den heftigen, andauernden Winden, und die nicht immer einfachen logistischen Umstände, z.B. beim Transport von Mensch und Material über unbefestigte Straßen und Furten, besondere Herausforderungen an ein solche Messkampagne“, berichtet Andreas Richter, ehemals an der TU Dresden und nun an der UNLP tätig. Die Forscher hoffen, indem sie die absolut gemessenen Schwereänderungen und die mittels GPS bestimmten Krustendeformationen ins Verhältnis setzen, neue Einsichten in die Struktur des Erdinneren und die Natur der beobachteten Deformationsprozesse zu gewinnen. „Außerdem wird es helfen, die an der Erdoberfläche durchgeführten, also bodengebundenen Messungen mit satellitengeodätischen Messungen der Massenbilanz und Höhenänderung der Patagonischen Eisfelder zu verknüpfen“, ergänzt Döhne.

Das Forschungsvorhaben „Gravimetrische Bestimmung der Reaktion der festen Erde auf Eismassenänderungen in Süd-Patagonien“ wird gemeinsam von Mirko Scheinert (TU Dresden) und Axel Rülke (BKG Leipzig) geleitet und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft durch eine Sachbeihilfe finanziert.

Dank
Die beteiligten Wissenschaftler bedanken sich ausdrücklich für die Unterstützung durch die Universidad Nacional de La Plata, Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas (Dekan: Prof. Raúl Perdomo), das Argentinisch-Deutsche Geodätische Observatorium (Wissenschaftlicher Direktor: Prof. Claudio Brunini), das Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) sowie das Instituto Geográfico Nacional (Direktor: Sergio Cimbaro).

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• Klimawandel

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Quelle: Lockheed Martin, SpaceX.

Bei der Erststufe handelt es sich um B1062, die zuvor im November 2020 den Satelliten GPS III SV-04 („Sacagawea“) ins All beförderte. Nun transportierte die Stufe auch den „Neil Armstrong“ getauften fünften Satelliten des dritten Blocks der GPS-Satelliten (oder kurz GPS III SV-05) ins All. Dort stößt der Satellit zur gegenwärtig 31 Stück starken GPS-Konstellation, mit deren Hilfe längst nicht mehr nur militärische Fahrzeuge navigieren, sondern auch zahlreiche zivile Anwender, von Rettungskräften über Autofahrende bis hin zu Joggerinnen.

Hergestellt wurde der rund 4.300 Kilogramm schwere Satellit, wie alle der dritten Generation, vom US-amerikanischen Rüstungsgiganten Lockheed Martin. Diese soll, neben einer verbesserten Genauigkeit, auch eine erhöhte Sicherheit und Verbesserungen bei der Störanfälligkeit bieten.

Der Start wurde, wie auch schon die drei zuvor von SpaceX ausgeführten GPS-Starts durch das „National Security Space Launch“-Programm beauftragt. Dabei handelt es sich um ein mittlerweile durch die Space Force (vor deren Gründung durch die Air Force) gemanagtes Beschaffungsprogramm für Startdienstleistungen, das die Aufträge für den Transport der meisten großen US-Militärsatelliten vergibt. Um aufgenommen zu werden, muss eine Trägerrakete entsprechend dafür zertifiziert werden (gegenwärtig besteht der Pool an zertifizierten Raketen aus der Falcon 9, der Falcon Heavy, der Atlas V sowie der Delta IV Heavy) sowie bestimmte technische Anforderungen erfüllen.

Die Mission der Falcon 9 verlief, trotz einer nur 70-prozentigen Chance auf Einhaltung der Wetterkriterien, reibungslos und ohne Verzögerung. Kaum zweieinhalb Minuten nach dem Start hatte die Erststufe ihren Dienst getan und nach deren Abtrennung übernahm die zweite Stufe. Bei T+ 8:07 Minuten wurde auch diese Stufe abgeschaltet, kaum 30 Sekunden später landete die Erststufe erfolgreich auf der „Just Read the Instructions“ getauften schwimmenden Landeplattform (die intern oft, aufgrund der Tatsache, dass sie unbemannten ist, als „Droneship“ bezeichnet wird).

Dreiundsechzig Minuten nach dem Abheben, genauer bei T+ 01:03:35, erfolgte dann eine 44-sekündige Wiederzündung der Oberstufe, die den GPS-Satellit in seine geplante Umlaufbahn brachte. Fünfundzwanzig weitere Minuten später wurde selbiger dann auch abgetrennt, womit die Falcon 9 auch ihren 122. Einsatz (inklusive eines suborbitalen Starts) erfolgreich abschloss.

Für dieses Jahr war es bereits der 19. Start der Trägerrakete und auch der 20. ist bereits für den 25. Juni 2021 angekündigt. Bei der „Transporter-2“ genannten Mission soll eine ganze Reihe kleinerer Satelliten ins All transportiert werden.

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• GPS III SV05 auf Falcon 9 (B1062.2)

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Gewaltige astrophysikalische Ereignisse wie die Verschmelzung schwarzer Löcher könnten Energie in unerwarteter Form freisetzen. Exotische ultraleichte Felder (ELFs) beispielsweise könnten sich durch den Weltraum ausbreiten und schwache Signale verursachen, die mit Quantensensornetzwerken, wie den Atomuhren des GPS-Netzwerks oder den Magnetometern des GNOME-Netzwerks, detektierbar sind. Das ist das Ergebnis theoretischer Berechnungen, die eine Forschungsgruppe um Dr. Arne Wickenbrock vom Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und dem Helmholtz-Institut Mainz (HIM) durchgeführt hat. Besonders interessant ist dieses Ergebnis mit Blick auf die Suche nach Dunkler Materie – denn ultraleichte Felder gelten als aussichtsreiche Kandidaten für diese exotische Materieform.

Von der Multi-Messenger-Astronomie zur Suche nach Dunkler Materie
Das Feld der Multi-Messenger-Astronomie – die koordinierte Beobachtung verschiedener Signale, die aus dem gleichen astrophysikalischen Ereignis resultieren – erfährt seit dem erstmaligen Nachweis von Gravitationswellen mit dem LIGO-Spektrometer vor wenigen Jahren eine enorme Popularität und liefert seitdem eine große Menge neuer Informationen aus den Tiefen des Universums. „Wenn irgendwo im Weltraum Gravitationswellen ausgelöst und auf der Erde nachgewiesen werden, richten sich zahlreiche Teleskope auf dieses Ereignis, um unterschiedliche Signale – wie zum Beispiel elektromagnetische Strahlung – zu detektieren“, erläutert Arne Wickenbrock. „Unsere Ausgangsfrage war: Was wäre, wenn in den beobachteten Ereignissen ein Teil der freigesetzten Energie auch in Form sogenannter exotischer ultraleichter Felder (ELFs) abgestrahlt würde? Könnten wir diese dann mit existierenden Netzwerken von Quantensensoren detektieren?“.

Die Antwort auf die Frage – das zeigen die Berechnungen der Wissenschaftler – ist ja. „Dazu haben wir uns überlegt, dass solche Felder, wenn sie abgestrahlt werden, ein charakteristisches Frequenz-Signal in den Netzwerken hervorrufen sollten“, erläutert Arne Wickenbrock. „Ähnlich eines vorbeifahrenden Martinshorns, das im Ton erst heller und dann dunkler wird.“ Zwei Netzwerke haben die Forscher dabei besonders im Blick: das weltweite GPS-Netzwerk aus Atomuhren und das sogenannte GNOME-Netzwerk, das aus vielen über den Globus verteilten Magnetometern besteht. Aufgrund der Stärke des zu erwartenden Signals sollte das GPS-System derzeit empfindlich genug sein, um ELFs zu detektieren. Das GNOME Netzwerk sollte in einer späteren Ausbaustufe, die im Moment zum Beispiel in der Arbeitsgruppe von JGU-Professor Dmitry Budker am HIM umgesetzt wird, ebenfalls empfindlich genug sein, um solche Ereignisse zu beobachten.

Potenzielle ELFs sind im Hinblick auf die Suche nach Dunkler Materie von besonderer Bedeutung. Obwohl diese exotische Materieform existieren muss, weiß bisher niemand, woraus sie besteht. In der Fachwelt wird eine ganze Reihe möglicher Teilchen, die als Kandidaten theoretisch in Frage kommen, diskutiert und erforscht. Als einer der vielversprechendsten Kandidaten gelten heute sogenannte extrem leichte bosonische Teilchen, die auch als klassisches Feld, das mit einer bestimmten Frequenz oszilliert, betrachtet werden können. „In den Tiefen des Universums kann also etwa bei der Verschmelzung zweier schwarzer Löcher Dunkle Materie in Form von ELFs entstehen“, fasst Arne Wickenbrock zusammen. „Präzisions-Quantensensornetzwerke wiederum könnten als ELF-Teleskope funktionieren und so den Werkzeugkasten der Multi-Messenger-Astronomie um ein weiteres wichtiges Element erweitern.“

Veröffentlichung:
Dailey, C., Bradley, C., Jackson Kimball, D.F. et al., Quantum sensor networks as exotic field telescopes for multi-messenger astronomy.
Nat Astron (2020), 02 November 2020
DOI: 10.1038/s41550-020-01242-7

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• Dunkle Materie

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Quelle: Technische Universität Berlin.

Ziel der Mission BEESAT-9 des Fachgebiets Raumfahrttechnik ist es, mithilfe des integrierten GPS-Empfängers „GNSS200“ präzise Positions- und Orbitbestimmungen durchzuführen. „Neben dem GPS-Empfänger stellt besonders der sogenannte pico-fluiddynamische Aktuator, basierend auf einem rotierenden flüssigen Metall, eine Innovation dar, da er den Satelliten in seiner Lage gezielt stabilisieren oder in Rotation versetzen kann“, so der Projektleiter der Mission Dipl.-Ing. Sascha Weiß. Die vier Satelliten der Mission BEESAT-10 bis -13 bilden eine sogenannte Schwarmmission, bei der die Kommunikation zwischen den Satelliten und die Navigation zueinander untersucht werden. Mit einer Masse von einem Kilogramm (BEESAT-9) und 0,375 Kilogramm (BEESAT-10 bis -13) gelten die Satelliten als „Picosatelliten“. (BEESAT steht für Berlin Experimental and Educational Satellite.)

Die an der Fakultät V Verkehrs- und Maschinensysteme der TU Berlin unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Klaus Brieß entwickelten und gebauten Picosatelliten sollen am 5. Juli 2019 um 7.41 Uhr vom Weltraumbahnhof Vostochny in Russland gestartet werden. Der Start wird vom Berliner Unternehmen EXOLAUNCH organisiert, das auch für die Auswurfcontainer und deren Steuerung verantwortlich ist. EXOLAUNCH wurde 2010 von wissenschaftlichen Mitarbeitern der TU Berlin gegründet und steht seitdem in enger Zusammenarbeit mit der TU. Eine Trägerrakete vom Typ Sojus-Fregat bringt die Satelliten in 530 Kilometer Höhe und wird sie um 12.06 Uhr von der Rakete trennen.

Livestream zum Satellitenstart
Der Raketenstart ist im Livestream unter den folgenden Links ab circa 6.45 Uhr zu sehen:

• Roscosmos
• Роскосмос ТВ
• Russian Space

Satelliten-Projekte an der TU BerlinMit den Satellitenprojekten werden neueste Technologien in der Raumfahrt erprobt und ingenieurwissenschaftliche Erkenntnisse gewonnen. Außerdem werden Studierende modern und praxisnah für den Beruf des Luft- und Raumfahrtingenieurs ausgebildet. Der Start der Mission BEESAT-9 bis -13 setzt die lange Tradition des Satellitenbaus an der TU Berlin fort. Bereits im Jahr 1991 wurde mit TUBSAT-A der erste mit Studierenden gebaute Satellit erfolgreich gestartet. In diesem und im kommenden Jahr sind weitere Satellitenstarts geplant.

Neben den BEESAT-Missionen soll 2020 TUBIN, ein Satellit mit einer Masse von 20 Kilogramm, in den Orbit gebracht werden und dort mithilfe einer Infrarotkamera Brände und Feuer auf der Erde erkennen. Außerdem wird in der zweiten Jahreshälfte 2020 der Satellit SALSAT gestartet, der den Funkverkehr über dem gesamten Planeten untersuchen soll.

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Quelle: DLR.

Auf dem diesjährigen Munich Satellite Navigation Summit vom 25. bis 27. März 2019 war das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) auch in den Diskussionsrunden der Konferenz vertreten. Prof. Christoph Günther, Direktor des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation und Professor an der TU München, nahm am Panel „The (R)Evolution of Global Navigation Satellite Systems“ teil. Im Interview erläutert er, wie die Zukunft der Satellitennavigationssysteme aussehen könnte.
Zurzeit wird das Satellitennavigationssystem Galileo auf- und ausgebaut. Was ist der derzeitige Status bei Galileo?
Galileo ist auf einem sehr gutem Weg: Die Satellitenkonstellation ist fast vollständig im All. Mit vier weiteren Satelliten, die 2020 starten, wird die volle Betriebsfähigkeit erreicht werden. Bereits heute ist das Qualitätsmaß „Signal in Space Accuracy“, auf einem Niveau, das vergleichbar ist mit dem amerikanischen GPS. Das ist eine beeindruckende Leistung. Dies ist auf verschiedene Faktoren zurückzuführen, zu denen die sehr stabilen Wasserstoff-Maser und auch die digitale Signalerzeugung gehören. Letzteres erlaubt es, die Signale mit weniger Verzerrungen zu erzeugen.

Warum muss dann schon jetzt für ein neues, zukünftiges System geforscht werden?
Die heutige Konstellation wurde über einen relativ kurzen Zeitraum aufgebaut. Die meisten Satelliten wurden in den Jahren 2015 bis 2018 gestartet. Mit einer geplanten Lebensdauer von circa zwölf Jahren müssen entsprechend zahlreiche Satelliten ab 2027 ersetzt werden. Dies legt den Zeitraum fest, in dem neue Satellitentechnologien entwickelt werden müssen. Zurzeit modernisieren gerade unsere amerikanischen Kollegen GPS. Der erste GPS III Satellit wurde letztes Jahr gestartet. Dasselbe gilt für Russland. China ist quasi synchron mit Europa. Wir versuchen alle in einem gesunden Wettbewerb den Nutzern die bestmöglichen Dienste anzubieten. Dies ist zusammen mit neuen technologischen Möglichkeiten ein wesentlicher Treiber für die Weiterentwicklung.

Was wird ein zukünftiges System zusätzlich zu den Leistungen des derzeitigen Galileo-Systems bieten müssen?
Meine Vorstellung ist es, eine Positionsgenauigkeit im Zentimeterbereich ohne externe Unterstützungssysteme anbieten zu können. Derzeit werden solche Genauigkeiten nur mit Zusatzdiensten erreicht, zu deren Betrieb umfangreiche Netze von Empfängern am Boden betrieben werden müssen. Die Genauigkeit direkt aus der Konstellation zu erhalten, hätte für die Nutzer und die Industrie klare Vorteile: Geräte würden überall und sofort „out off the box“ funktionieren. Ähnliches gilt für globale Integrität, wie man sie für sicherheitskritische Anwendungen, etwa das Landen von Flugzeugen, benötigt. Bei solchen Anwendungen dürfen substantielle Fehler nur ganz selten passieren, etwa alle 1000 Jahr beim heutigen Betrieb an einem Flughafen wie Frankfurt. Auch dies wollen wir direkt aus der Konstellation heraus ermöglichen, um somit unabhängig von lokal betriebenen Infrastrukturen zu werden.

Wie läuft die Positionsbestimmung in den derzeitigen Satellitennavigationssystemen ab?
Empfänger verwenden heute zur Positionsbestimmung Zeitdifferenzmessungen zu verschiedenen Satelliten. Hierfür senden die Satelliten ein Signal aus, das einer sprechenden Uhr ähnelt: „Beim dritten Ton ist es genau 12 Uhr: beep, beep, beep.“ Eine ähnliche Signalisierung verwenden die Satelliten, um den Empfänger darüber zu informieren, wann das Signal die Antenne des Satelliten verlassen hat. Der Empfänger misst dann die Ankunftszeit des Signals mit seiner lokalen Uhr. Wären alle Uhren synchronisiert und würde die Ausbreitung ohne Störung erfolgen, könnte der Empfänger aus der Differenz der Zeiten die Laufzeiten der Signale – also den Abstand zu den Satelliten – ermitteln und daraus seine Position bestimmen. Das Kontrollsystem kann allerdings auch nur auf diese Größen zurückgreifen und muss entsprechend ein komplexes Schätzproblem lösen, in das Uhrenversätze und Satellitenbahnen atmosphärische Parameter, Signalversätze und der Lichtdruck der Sonne eingehen. Dieses Problem ist nur durch die Betrachtung von Messungen über längere Zeiträume, durch die Verwendung von ausgefeilten Modellen und auf Grund der hohen Stabilität der Atomuhren überhaupt zu lösen.

Wie könnte ein zukünftiges System aussehen? Sie entwickeln derzeit ein Konzept für ein System mit dem Namen „Kepler“…
Beim Kepler-System wollen wir die Beobachtbarkeit der soeben genannten Größen deutlich verbessern. Viele kennen Lasermessgeräte aus dem Baumarkt. Sie werden verwendet, um Distanzen von einigen Metern sehr genau zu messen. Wir wollen verwandte Systeme bei Kepler auf Distanzen von circa 25.000 Kilometern einsetzen. Nicht nur, um die Distanz zu messen, sondern auch um die Zeitdifferenz, die die Satellitenuhren anzeigen, zu ermitteln. Ein solches System lässt sich dadurch jederzeit perfekt synchronisieren und benötigt nur noch Uhren, die über wenige Sekunden und nicht mehr über Stunden stabil sind. Zusätzlich sehen wir in unserem Konzept eine weitere Konstellation von sechs Satelliten vor, die in einer Höhe von 1200 Kilometern fliegen. Mit ihnen können wir die Signale ohne atmosphärische Störungen beobachten und damit die Signalversätze (signal biases) und die Bahnen hochgenau bestimmen.

Müssten Nutzer des Galileo-Systems bei einer Einführung des Kepler-Systems neue Endgeräte beschaffen?
Nein, die Struktur der abgestrahlten Signale bleibt die gleiche. Damit könnten auch älteste Galileo-Empfänger Kepler-Signale verarbeiten und würden dabei von den genaueren Bahnen und der genaueren Synchronisation profitieren. Den vollen Gewinn würden aber nur Empfänger einfahren, die Zusatzinformationen berücksichtigen und eine aufwendigere Signalverarbeitung umsetzen.

Was allerdings ausgetauscht werden müsste, wären die Satelliten – also Kepler-Satelliten, die die Galileo-Satelliten ersetzen müssten. Wie könnte dies ablaufen?
Die Kepler-Satelliten würden ihren Betrieb als Galileo-Satelliten aufnehmen. Erst wenn genügend viele Kepler-Satelliten im Umlauf wären, würde der neue Modus aktiviert. Stufenweise würde dann die Kontrolle an den Kepler-Modus übergeben, wobei die Bodeninfrastrukturen zu Beginn eine Zeit lang beobachtend in Betrieb bleiben würde. Die Gestaltung dieses Übergangs ist eine enorme Herausforderung, da zu dem Zeitpunkt nicht nur Milliarden von Empfängern in Betrieb sein werden, sondern auch zahlreiche sicherheitskritische Anwendungen die Signale verwenden werden. Die Nutzer dürften dabei nichts von dem Übergang merken, außer dass die Positionierung genauer wird.

Wann könnte ein Übergang von einem laufenden Galileo-Satellitennavigationssystem zu einem Kepler-System erfolgen?
Im Augenblick ist nichts entschieden! Idealerweise würden die neuen Kepler-Satelliten zu dem Zeitpunkt zur Verfügung stehen, zu dem viele der heutigen Galileo-Satelliten ersetzt werden müssen. Das ist Ende der 20er Jahre. Technologisch halte ich das in Partnerschaft mit ESA und Industrie für machbar. Es bleibt aber viel zu tun. Die Schaffung des Galileo Competence Centers am DLR ist ebenfalls eine klare Stütze. Die Forschung für Kepler soll dort ein Thema werden. Unser Bestreben ist es, die Reife der Schlüsseltechnologien voranzutreiben und auf Satelliten zu bringen. Daneben müssen wir das Systemkonzept weiter verfeinern und weiterentwickeln.

Was macht die Satellitennavigation denn so wichtig im heutigen und im zukünftigen Alltag, dass solche aufwendigen Konstellationen entstehen sollen?
Die Satellitennavigation ist heute eine der wichtigsten Infrastrukturen überhaupt! Es gibt kein Transportmittel, das sich nicht auf Satellitennavigation abstützt. Besonders darauf angewiesen sind Piloten und Kapitäne: Sie müssen ihre Flugzeuge und Schiffe bei schlechter Sicht navigieren, landen beziehungsweise anlegen. Auch für den zentimetergenauen Bau von Brücken und Wolkenkratzer oder für die Steuerung von landwirtschaftlichen Geräten sind wir darauf angewiesen. Daneben wird die Satellitennavigation auch zur Synchronisation von Telekommunikations- und Stromnetzen, aber auch von Börsenplätzen eingesetzt. Wir sind überzeugt, dass wir mit der Ausrichtung auf hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit und deren globale Verfügbarkeit, nicht nur die Nutzung bestehender Anwendungen vereinfachen, sondern auch zahlreiche, neue bisher nicht gedachte Anwendungen ermöglichen werden.

Das Interview führte Manuela Braun.

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Quelle: Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT) / BMVIT Infothek.

Was haben irdische Mobilität und Weltraumforschung gemein? Sieht man von den revolutionären Gefährten wie den Mond- und Mars-Rovern ab, ist es vor allem die moderne Satellitentechnik, die unser Mobilitäts- und Transsportsystem auf der Erde grundlegend verbessern soll.
Fernsehen, Telekommunikation oder Wettervorhersagen sind ohne Satelliten absolut undenkbar geworden. Sehr viel präzisere und schnellere Informationen brauchen Anwendungen zum Automatisierten Fahren, aber auch Leitsysteme im Flugbetrieb. Wie sieht es damit auf der Schiene aus? Wie können Satellitensignale dort für einen optimalen Fluß und verbesserten Service sorgen? Auch im Bahnsektor sollen mit diesen neuen Möglichkeiten Unfälle, Verspätungen und Umwege vermieden werden können.

Im Palais Wertheim in Wien wurde bei der Konferenz Space for Innovation in Rail nun der optimale Einsatz von globalen Navigationssatellitensystemen (englisch: global navigation satellite system oder kurz GNSS) im Bahnbereich, insbesondere bei Schienenfahrzeugen und bei Verkehrsmanagementsystemen und –diensten diskutiert. Die Veranstaltung stand unter der Schirmherrschaft des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT) und wurde gemeinsam von der Agentur für das Europäische GNSS (GSA), dem Unternehmen Shift2rail (S2R JU) und der Eisenbahnagentur der Europäischen Union (ERA) organisiert und bot die Gelegenheit, sich über die Digitalisierung im Eisenbahnsektor auszutauschen und den Einsatz speziell des europäischen Galileo-Systems für die Schiene in den Mittelpunkt zu stellen.

Galileo für die Schiene
An der hochkarätig besetzten Konferenz nahmen Vertreter der Europäischen Kommission, Matthias Petschke, Direktor für die EU Navigationssysteme Galileo, und Elisabeth Werner, Direktorin für Landverkehr, sowie der Exekutivdirektor der Europäischen Agentur für globale Satellitennavigationssystem GSA, Carlo Des Dorides, sowie der Exekutivdirektor der Europäischen Technologie-Initiative Shift2Rail und jener der Europäischen Eisenbahnagentur, Carlo Borghini und Josef Doppelbauer, teil.

In den letzten Jahren haben die europäischen Bahnunternehmen – einschließlich Industrie, Dienstleistern sowie Forschung und Entwicklung – eine Reihe von Innovationen zur Steigerung der Kosteneffizienz, zur Verbesserung des Services für Fahrgäste und zur Verbesserung der Sicherheit des Schienenverkehrs entwickelt.

„Weltraumtechnologien und -anwendungen sind für Österreich und seine Gesellschaft genauso wichtig wie bahnbrechend,“ sagte Verkehrsminister Norbert Hofer im Vorfeld der Konferenz. Mit der fast vollständigen, bereits aber jetzt schon voll einsatzfähigen Flotte an Galileo-Satelliten soll es möglich sein, auch den Schienenverkehr effizienter und sicherer zu gestalten. Das zeigten auch erste Ergebnisse einiger Projekte, an denen die ÖBB beteiligt ist, und in denen der möglichst beste Einsatz von Galileo-Systemen getestet wird. „Es ist ein zentrales Ziel des Ministeriums, den Einsatz von weltraumgestützten Lösungen zur Verbesserung unseres täglichen Lebens weiter zu stärken“, so Hofer weiter.

Alle Infos ständig in Echtzeit
Auch EGNOS, das European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) ist als europäisches Erweiterungssystem zur Satellitennavigation erfolgreich im Einsatz. Es steigert regional begrenzt auf Europa die Positionsgenauigkeit von GNSS und ist voll kompatibel zu GPS, dem amerikanischen WAAS, dem japanischen MSAS und dem indischen GAGAN, die ihre Korrekturdaten ebenfalls über Satelliten verteilen.

Das zivile europäische Navigationssystem Galileo steht für höhere Präzision, eine bessere Zuverlässigkeit der Positionsinformation und höhere Signalverfügbarkeit und spielt damit auch bei Eisenbahntechnik, besonders bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, wie der Positionsermittlung von Zügen für Gleisfreimeldeanlagen eine immer wichtigere Rolle.

Von der optimalen Nutzung der Strecke, des rollenden Materials und vom Einsatz der Zugbesatzungen bis hin zur automatisierten Wartung der Infrastruktur ergeben sich zahlreiche weitere denkbare Vorteile. Neben dieser Art der Verkehrskontrolle kann das Positioning im Netz von großem Nutzen für weitere Anwendungen der Passagiere sein: Erweiterte Kundenservices, beispielsweise mit den ständigen Information der Passagiere über Ankunftszeit von Zügen in Echtzeit, vor und während der Reise, erweiterte Ticket-, Reservierungs- und Zahlungssysteme, auch angepasst an die Bedürfnisse behinderter und mobilitätseingschränkter Menschen bis hin zum Gepäck- und Frachtmanagement. Allesamt äußerst sinnvolle Ergänzungen für den Bahnbetrieb.

Die neue Seidenstraße
Bei einem weiteren Kongress in Wien ging es um die Fragen, wie das Verkehrssystem der Zukunft aussehen muss, damit es zugleich eine wachsende Industrie unterstützt und wie unsere Mobilität und vor allem der Gütertransport nachhaltig gestaltet werden kann? Ein riesiges Infrastrukturprojekt steht dazu seit einiger Zeit in den Startlöchern: Der Ausbau der russischen Breitspurbahn Transsib bis Wien.

Wie viel das kostet und wann es soweit sein kann wurde beim International Railway Congress 2019 in Wien diskutiert. Dieser war der Start einer Kongressreihe, die mindestens über die nächsten drei Jahre stattfinden soll. Über 500 Gäste haben sich zwei Tage lang, vorrangig zu den Chancen und Potentialen des multinationalen Eisenbahnprojekts Breitspurbahn als umweltschonendes globales Tor für den weltweiten Warenverkehr, ausgetauscht.

Dahin ist man nun wieder einen Schritt weiter gekommen: Am Rande des Kongresses wurden eine Absichtserklärung zwischen den Verkehrsministerien aus Russland, der Slowakei und Österreich zur Realisierung der Güterzugstrecke Košice – Bratislava – Wien mit einer Spurweite von 1520 mm unterzeichnet. En weiterer Schritt bei den Vorbereitungen für einen Staatsvertrag dazu zwischen den Ländern.

Mit der soll der stark wachsende Güterverkehr zwischen China und Europa zum Teil auf die Bahn verlagert werden. Derzeit endet die Transsibirische Eisenbahn mit der größeren Spurweite im Osten der Slowakei. Österreichs Regierung will diese Breitspurbahn bis in den Raum Wien verlängern.

Umweltfreundlich zwischen den Kontinenten
Tatsächlich könnten auf mehr als 8.000 km Schienennetz die asiatischen Wachstumsmärkte und Zentraleuropa enger miteinander verbunden werden. Mit einer Verlängerung der Transsib-Breitspurbahn über 400km von Košice in der Ostslowakei nach Wien wäre dieser traditionsreiche Verkehrskorridor auch ausnahmslos ohne Spurwechsel zwischen Ostasien und Österreich zu befahren. Pläne für die Verlängerung dieser Bahnstrecke bis in den Großraum Wien existieren schon länger.

Die Breitspurverlängerung samt Bau eines Terminals auf österreichischem Boden hätte enorme wirtschaftliche Chancen. Laut Studie würde die Verlängerung der Breitspurbahn vom Terminal in Košice nach Wien von der Bauphase bis zum Vollbetrieb 127.000 heimische Jobs schaffen und sichern. Zu Spitzenzeiten könnten durch Bau, Betrieb und Betriebsansiedelungen in Terminal-Nähe 9.000 Arbeitsplätze entstehen. Des Weiteren wäre eine Gesamtwertschöpfung von 15,5 Milliarden Euro bis 2054 für Österreich zu erwarten.

Ein möglicher Baustart für die Verlängerung der Breitspurbahn wäre im Jahr 2023. Die Neubaustrecke könnte dann zehn Jahre später im Jahr 2033 in Betrieb gehen. Das internationale Projekt würde den Containertransport nach Mitteleuropa nicht nur ökologischer gestalten, sondern ihn auch deutlich beschleunigen. Die Gütercontainer ließen sich per Schiene auf der Transsib in 10-15 Tagen in den Großraum Wien bewegen, während sie per Schiff nach Europa etwa 30 Tage benötigen.

Andreas Reichhardt, Generalsekretär des BMVIT, sieht das Memorandum nach einem ersten Seidenstraßen-Abkommen im letzten Jahr bereits als nächsten großen Erfolg im Infrastrukturbereich: „Mit dem Memorandum of Understanding zwischen Russland, der Slowakei und Österreich haben wir wieder einen großen Schritt für die Verlängerung der 1520-Bahn in die Twin-City-Region machen können.“

Der Chef der ÖBB Holding, Mag. Andreas Matthä, konstatiert in seinem Statement zum Abschluss des Kongresses: „Die Schiene ist Bindeglied zwischen Gesellschaften und Nationen. Sie bringt Menschen und Güter in Bewegung und schafft gute Verbindungen – auch für die Neue Seidenstraßen-Initiative. Um die internationale Zusammenarbeit hier zu vertiefen und die Verbindung zwischen Österreich und Russland weiter auf Schiene zu bringen, ist der International Railway Congress wohl der beste Ausgangspunkt. Es würde mich daher sehr freuen, wenn dieser Congress auch in den kommenden Jahren zu einem Fixpunkt des Austausches der internationalen Eisenbahngemeinde in Wien werden würde.“

Auch Oleg Belozerov, Generaldirektor der Russian Railways RZD, betont, dass „dieses Projekt die Arbeit der Eisenbahnen auf ein neues Niveau heben wird.“ Es würden neue Technologien ausprobiert, um die Grenzübergänge zu beschleunigen und Rechtsfragen zu vereinheitlichen. „Wir müssen unsere Aufmerksamkeit darauf richten, dass dies so schnell wie möglich geschieht“, so Belozerov.

Die Neue Seidenstraße ist aber auch ein chinesische Megaprojekt. China möchte die alte Seidenstraße beleben und über Infrastruktur­projekte neue Handelsrouten nach Europa, Asien und Afrika schaffen. Die ehrgeizige Initiative läuft in China offziell unter dem Titel One Belt, One Road (ein Band, eine Straße) und verspricht die Ankurbelung der Wirtschaft aller beteiligten Länder. Seit 2013 versucht das Reich der Mitte damit seine Verkehrsinfrastruktur mit Europa, Afrika und den übrigen Ländern Asiens neu und besser als je zuvor zu vernetzen – der Staat will dabei offen sein für Länder, die sich in Form von Kooperationen beteiligen wollen. Acht Billionen US-Dollar (umgerechnet 6,5 Billionen Euro) sollen investiert werden.

INFObox:
Österreich ist Bahnland Nummer 1 in der EU. Nicht zuletzt durch den ÖBB-Rahmenplan, der bis 2023 Investitionsmittel des Infrastrukturministeriums in Höhe von 12,9 Mrd vorsieht. Die Implementierung von GNSS-Anwendungen im Infrastruktur- und Fahrgastbereich sollen die Bahn zusätzlich verbessern. Auch dafür investiert das BMVIT als Weltraumministerium jährlich rund 70 Millionen Euro in den Weltraumsektor. Unter Einrechnung der EU-Flagschiffprogramme Copernicus, Galileo/EGNOS und H2020 liegt Österreichs Beitrag bei etwa 100 Millionen Euro pro Jahr.

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: beidou.gov.cn, CALT, CASC, CCTV, Xinhua.

Die mit Aufbau und Betrieb des chinesischen Satellitennavigationssystems betraute chinesische Behörde meldete mit Datum vom 2. November 2018 auf ihren Webseiten, dass der Start des 17. Beidou-3-Satelliten erfolgreich verlaufen sei. Nach Angaben der Behörde ist der Satellit der erste der Beidou-3-Serie für einen Einsatz im Geostationären Einsatz. Deshalb wird der neue Erdtrabant verschiedentlich auch als Beidou-3 G1Q bezeichnet, wobei das Q für qualifcation bzw. Qualifikation (des ersten Satelliten einer neuen Serie) steht.

China arbeitet an global verfügbarem Navigationssatellitennetz
Im Jahr 2000 begann China mit dem Einsatz eigener Navigationssatelliten. Um dem Ziel der Unabhängigkeit vom US-amerikanischen GPS näher zu kommen, schickte man Ende 2000 zunächst zwei Satelliten zum Einsatz in einer Testkonstellation, Beidou genannt, ins All. 2003 und 2007 folgten zwei weitere Satelliten für das experimentelle System. Anschließend begann man mit dem Aufbau des aktuellen Betriebsnetzes. Ein Zwischenschritt ist der Aufbau einer sogenannten “18+1“-Konstellation, die aus 18 Satelliten auf Umlaufbahnen in mittleren Höhen und einem Satelliten auf geosynchroner Bahn besteht. Über das vollständig ausgebaute Betriebsnetz möchte China ab dem Jahr 2020 verfügen können.

Das chinesische Satellitennavigationssystem wird, wenn die aktuellen Planungen umgesetzt werden, in seiner endgültigen Ausbaustufe einmal aus mindestens 35 Satelliten bestehen. Vorgesehen ist, dass 27 aktive Satelliten auf Umlaufbahnen in mittlerer Höhe von rund 21.500 Kilometern in drei Ebenen um die Erde kreisen. Fünf weitere aktive Raumfahrzeuge sollen auf Positionen im Geostationären Orbit in rund 35.786 Kilometern über dem Äquator arbeiten. Weitere drei aktive Trabanten will man regelmäßig auf inklinierten geosynchronen Bahnen einsetzen – also auf solchen, die mit der Erddrehung synchronisiert sind, aber gegen den Äquator geneigt.

Der Hersteller der verwendeten Trägerrakete, die chinesische Akademie für Trägerraketentechnik (China Academy of Launch Vehicle Technology, CALT), gab bekannt, der Start des insgesamt 41. Beidou-Satelliten sei am 1. November 2018 vom Satellitenstartzentrum Xichang (Xichang Satellite Launch Center, XSLC) aus erfolgt. Startzeit war 15:57 Uhr UTC bzw. 16:57 Uhr MEZ am 1. November 2018. Der exakte Startzeitpunkt liegt basierend auf Videoaufzeichnungen aus einem Kontrollzentrum bei 23:57:04,709 Uhr Pekinger Zeit.

Zum Einsatz kam eine dreistufige Rakete des Typs Langer Marsch 3B/G2 (LM-3B/G2), auch Chang Zheng 3B/G2 genannt (CZ-3B/G2). Gestartet wurde von der Rampe Nr. 2 des in der Provinz Sichuan zwischen bewaldeten Bergen gelegenen Startzentrums.

Chinesische Statistik
Die Rakete absolvierte laut CALT die insgesamt 93. Mission eines Raumfahrtträgers diesen Typs. Nach Angaben aus China flog sie die 290. Mission einer Rakete aus der Serie Langer Marsch, eine Zahl, die angesichts der Tatsache, dass in ihr mittlerweile immer mehr höchst unterschiedliche Träger zusammengefasst werden, ihre Aussagekraft verliert.

Nach dem Start wurde die dritte Stufe der Trägerrakete auf einer rund 28,5 Grad gegen den Erdäquator geneigten Bahn mit einem der Erde nächsten Bahnpunkt von 167,3 und einem erdfernsten Bahnpunkt von 34.394 Kilometern beobachtet. Die eigentliche Nutzlast, der Navigationssatellit Beidou-3 G1, gelangte auf eine rund 28,47 Grad geneigte Bahn mit einem der Erde nächsten Bahnpunkt von 189,8 und einem erdfernsten Bahnpunkt von 35.817 Kilometern.

Aus der erreichten Übergangsbahn muss sich der Navigationssatellit mit eigener Kraft auf die vorgesehene Position im Geostationären Orbit bringen. Damit er diese Aufgabe erfüllen kann, wurde er mit einem eigenen Antriebssystem ausgestattet. Beim Abbau der verbliebenen Bahnneigung gegen den Äquator und der Anhebung des erdnächsten Bahnpunkts auf das Niveau eines Geostationären Orbits wird insbesondere ein rund 490 Newton starkes Triebwerk – Apogäumsmotor genannt – an Bord des Satelliten zum Einsatz kommen.

Der Satellit ist eine Konstruktion der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnik (China Academy of Space Technology, CAST). Er basiert auf der chinesischen Raumfahrzeug-Plattform DFH-3B. DFH steht dabei für „dong fang hong“, was „Der Osten ist rot“ bedeutet.

Ein Satellit, zwei Uhrensysteme
Die Behörde für den Aufbau und Betrieb des chinesischen Satellitennavigationssystem berichtete, Beidou-3 G1 besitze eine Navigationsnutzlast für einen RNSS (Radio Navigation Satellite Service) genannten Dienst, eine Nutzlast für einen Kurznachrichtendienst mit der Bezeichnung RDSS (Research Data Shared Service) sowie eine zusätzliche Navigationsnutzlast namens SBAS (Satellite-Based Augmentation System). SBAS stellt im internationalen Kontext Navigationssignale insbesondere zur Nutzung durch die Luftfahrt bereit.

Laut der chinesischen Nachrichtenagentur Xinhua ist Beidou-3 G1 mit Wasserstoff-Maser (HMAC) und Rubidium (RB) Uhren ausgestattet. Nach Angaben von Xinhua sind sie in Bezug auf Gangabweichungen um den Faktor 10 stabiler als solche auf früheren Beidou-Satelliten eingesetzte Uhren.

Beidou-3 G1 (Beidou-3 GEO-1) alias Beidou-3 G1Q ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 43.683 und als COSPAR-Objekt 2018-085A. Die dritte Stufe der Trägerrakete ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 43.684 und als COSPAR-Objekt 2018-085B.

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