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Satellitennavigationssystem Galileo

Erstellt am: 12.01.2005 | Stand des Wissens: 08.04.2020
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Bauhaus-Universität Weimar, Professur Verkehrssystemplanung, Prof. Dr.-Ing. Plank-Wiedenbeck

Mit dem Galileo-Projekt wird der Aufbau eines neuen unabhängigen Satellitennavigationssystems betrieben. Es ist der europäische Beitrag zu dem globalen Navigationssatellitensystem (GNSS). Geführt wird das Galileo-Programm von der Europäischen Union in Kooperation mit der Europäischen Weltraumagentur (ESA). Im Dezember 2004 wurde der Beginn der ersten Entwicklungsstufe mit vier Satelliten mit dem Industriekonsortium Galileo Industries und der ESA vertraglich vereinbart. Die Endausbaustufe mit 30 Satelliten sollte ursprünglich bis zum Jahr 2013 abgeschlossen werden [GInd04a]. Mit einer Konstellation von 18 installierten Satelliten ist das Galileo-System seit 2016 in Teilbetrieb gegangen. Von den insgesamt 30 geplanten Satelliten im All kreisen zur Zeit 26 in einer Höhe von etwa 23 222 km die Erde (Stand: 2019) [ESA19]. Die Fertigstellung und Installation aller 30 Satelliten soll 2021 erfolgen [BMVI19ad]. 
../127006/gal_architect.jpgAbb.1: Darstellung der Komponenten des Galileo-Satellitennavigationssystems [GSSF19] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)

Galileo wird als erstes ziviles Satellitennavigationssystem eine Positionsbestimmung zu jedem Zeitpunkt mit einer Genauigkeit im Meterbereich liefern [DLR19]. Zur Wahrnehmung hoheitlicher Aufgaben und zum Schutz vor mutwilligen Störeingriffen sind verschiedene Signalarten und Positionierungsdienste vorgesehen (vergleiche Galileo-Satellitennavigationsdienste und Signalfrequenzen). Das Satellitennavigationssystem Galileo wird interoperabel zum amerikanischen GPS sein und das russische GLONASS einbeziehen.
Das European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS), ist ein satellitengestütztes Ergänzungssystem (Satellite Based Augmention System, SBAS), mit welchem die Signale für die Satellitennavigation in Europa verbessert werden [EURA03]. Die Genauigkeit in der Satellitennavigation erhöht sich hierdurch von circa 10 Meter auf bis zu 2 Meter.
Die Systemarchitektur des Galileo Systems ist so vorgesehen, dass die Betriebskosten gering gehalten und das System an die Erfordernisse der Nutzenden angepasst werden kann. Zu den vier Kernelementen des Galileo-System zählen dabei [Eukom02ag]:
  • Globale Komponente
  • Regionale Komponente
  • Örtliche Komponente
  • Empfängerseitige Komponente
Das Raumsegment wird aus insgesamt 30 Satelliten bestehen, die auf drei mittleren Erdumlaufbahnen (Medium Earth Orbit, MEO) in einer Höhe von rund 23.000 Kilometer die Erde umkreisen. Jede Umlaufbahn mit einer Inklination von 56 Grad wird über zehn Satelliten verfügen, von denen einer als Ersatz vorgesehen ist. Die höhere Redundanz bietet eine Verbesserung gegenüber möglichen Systemausfällen. Zudem ist Galileo durch seine Satellitenkonstellation auch besser für den Empfang in Regionen höherer geographischer Breite geeignet [GInd04a].
Die Überwachung der Satellitenkonstellation, die Synchronisation der Atomuhren und die Verarbeitung des Integritätssignals wird durch zwei redundante Kontrollzentren (GALILEO-Control-Centers, GCC) vorgenommen. Die Datenübermittlung von und zu den Satelliten wird durch ein Netzwerk von GALILEO Up-link-Stations (GUS) erreicht, die aus einer Telemetry, Telecommand & Tracking Station (TT&C) und einer Mission-Up-link Station (MUS) bestehen. Über den Erdball verteilt befinden sich GALILEO-Sensor-Stations (GSS), die eine Qualitätskontrolle des Satellitenpositionsignals (SIS) vornehmen. Diese Daten werden durch das Kommunikationsnetzwerk (GALILEO-Communications-Network, GCN) an die zwei Hauptkontrollstationen übertragen.
Die weltweite Übertragung des Integritätssignals zusammen mit dem Navigationssignal unterscheidet Galileo von anderen GNSS-Systemen und macht eine Verwendung bei sicherheitskritischen Anwendungen (Safety-of-Life) möglich.
Als Regionalkomponente wird bei dem Galileo-Satellitennavigationssystem ein zusätzlicher Service angeboten, bei dem eine Datenübertragung durch dritte Dienstleister möglich ist. Die Kosten für dieses zusätzliche Regionalnetzwerk mit Datenverarbeitung- und Integritätsstationen werden von dem Dienstleister getragen.
Für Anwendungen mit höheren Genauigkeitsanforderungen können örtliche Verbesserungen für einzelne Verkehrsträger vorgesehen werden. Dazu kann die Datenübertragung durch mobile Kommunikationsnetzwerke erfolgen (beispielsweise Global System for Mobile Communications (GSM), Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)), die dann eine eigenständige Integritätsüberwachung erfordern. Vorgesehen ist dabei auch die Ortung der Empfängerposition, um bei Notrufen eine schnellere Auffindbarkeit zu gewährleisten. Bei Luftfahrtanwendungen ist als örtliche Komponente der Aufbau eines Landesystems unter Schlechtwetter-Bedingungen als wichtiger Vorteil zu sehen. In der Rationalisierung der Infrastruktur ist dabei die Attraktivitätssteigerung unter Wirtschaftlichkeitsaspekten zu sehen.
Kernelement des Galileo-Systems sind die Nutzenden. Ihnen muss eine konkurrenzfähige Leistung zu vergleichbaren Kosten bisheriger Systeme angeboten werden. Dabei muss der Dienst an die Erfordernisse der breiten Öffentlichkeit beziehungsweise für die professionellen und kommerziellen Anwendungen angepasst werden. Zudem soll eine Möglichkeit zum Wechsel beziehungsweise zur Integration weiterer Dienste bestehen. So sind Navigationssysteme in Kraftfahrzeugen mit zusätzlicher Verkehrsinformation oder eine Ortungsfunktion für Handys als Ergänzungsdienste denkbar.
Die Kosten für den Aufbau des europäischen Satellitennavigationssystems wurden ursprünglich auf 3,2 bis 3,4 Milliarden Euro geschätzt [ESA02]. Zwei beauftragte Studien:
  • Inception Study to Support the Development of a Business Plan for the GALILEO Programm [PWC01]
  • Galileo Study Phase II-Executive Summary [PWC03a]
von PriceWaterhouseCooper führen verschiedene Finanzierungs- und Kostenmodelle zum Betrieb des Satellitennavigationssystems aus. Verglichen wurden die geschätzten Kosten auf der Internetseite des Generaldirektorates Energie und Verkehr der Europäischen Kommission mit dem Bau von 150 Kilometer Vorstadt-Autobahn oder einem Tunnel für ein eingleisiges Streckensegment einer künftigen Schnellbahnverbindung zwischen Lyon und Turin. Nach Angaben weiterer Untersuchungen soll das Galileo-System rund 100.000 Jobs schaffen und zu Dienstleistungs- und Ausrüstungsverträgen in Höhe von 9 Milliarden Euro pro Jahr führen.
Die Entwicklungskosten von etwa 1,8 Milliarden Euro wurden aus Mitteln des EU-Haushaltes und der ESA finanziert. Der Systemaufbau hingegen erzeugt zwischen 2007 und 2013 Kosten in Höhe von etwa 3,4 Milliarden Euro. Diese wurden ausschließlich aus Mitteln des EU-Haushaltes beglichen. Für den Zeitraum von 2014 bis zur vollständigen Inbetriebnahme hat die europäische Kommission Beratungen für die Finanzierung aufgenommen. Der Vorschlag der EU Kommission beläuft sich für den genannten Zeitraum auf etwa 7 Milliarden Euro, welche jedoch letztendlich zum Vollausbau und Betrieb von EGNOS und Galileo führen sollen [BMVI14e]. Die ursprünglichen geschätzten Kosten von etwa 3,4 Milliarden Euro wären damit um das Vierfache erhöht.  Wie sich die Investitionskosten nach Inbetriebnahme rentieren bleibt demnach neu zu ermitteln. Erste unabhängigen Studien mit dem Resultat, dass jeder investierte Euro eine Fünffache Rendite erzeugt [GInd04], können unter den geänderten Kosten jedoch nicht erfüllt werden.
Ansprechpartner
Bauhaus-Universität Weimar, Professur Verkehrssystemplanung, Prof. Dr.-Ing. Plank-Wiedenbeck
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Satellitennavigation (Stand des Wissens: 21.04.2020)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?126859
Literatur
[BMVI14e] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur Galileo - das europäische Satellitennavigationssystem, 2014
[BMVI19ad] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (Hrsg.) Galileo - Europas Satellitennavigationssystem im Dienst der Bürger, 2019/06/26
[DLR19] Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. Bis auf den Meter genau: Navigation mit Galileo, 2019
[ESA02] Wilson, A. Galileo - The European Programme for Global Navigation Services, ESA Publications Division, ESTEC, PO Box 299, 2200 AG Noordwijk, The Netherlands, 2002/05, ISBN/ISSN ISBN 92-9092-730-5, ISSN 0250-1589
[ESA19] European Space Agency (ESA) Galileo satellites, 2019/05/02
[GInd04a] o.A. Guiding your Way-Galileo, 2004/09
[GSSF19] European Space Agency (ESA) GSSF Models, 2019
[PWC01] Price Waterhouse Coopers (Hrsg.) Inception Study to Support the Development of a Business Plan for the GALILEO Programme, 2001/11/14
[PWC03a] Price Waterhouse Coopers (Hrsg.) Galileo Study Phase II - Executive Summary, 2003/01/17
Weiterführende Literatur
[EUKom02t] Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaften Derzeitiger Stand des Galileo-Programms, 2002/10/15
[EURA03] Rat der Europäischen Union GALILEO-Einbindung von EGNOS - Schlussfolgerungen des Rates, 2003/06/05
[GInd04] o.A. Galileo Industries-Pressemitteilung, 2004/12
[Eukom02ag] o.A. Galileo Mission High Level Definition, 2002/09
Glossar
GLONASS GLObal NAvigation Satellite System, russisches Satellitennavigationssystem
EGNOS
Der European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) soll durch die Nutzung zusätzlicher Satelliten und Bodenstationen eine verbesserte Signalverfügbarkeit bei Satellitenvigationssystemen unterstützen.
Global System for Mobile Communication
Der GSM-Standard (Global System for Mobile Communication) - ursprünglich ein rein europäisches Mobilfunkkonzept - hat inzwischen weltweite Verbreitung gefunden. In Deutschland nutzen die Mobilfunknetzanbieter Deutsche Telekom, Vodafone und Telefonica mit ihren Mobilfunknetzen gegenwärtig die Frequenzbereiche GSM 900 und GSM 1800.
Inklination In der Astronomie und Raumfahrt bezeichnet man mit Inklination den Winkel zwischen der Bahnebene eines Himmelskörpers und einer Referenzebene bzw. der Neigung der Flugbahn gegenüber der Aquatorebene.
GNSS Globale Navigationssatellitensysteme (englisch Global Navigation Satellite System) oder GNSS dienen der weltweiten Positionsbestimmung, sowie der Koordinaten- und Zeitübermittlung.
Galileo Globales Satellitennavigationssystem unter ziviler, europäischer Kontrolle. Es soll weltweit Daten zur Positionsbestimmung liefern. Dabei ähnelt es im prinzipiellen Aufbau dem GPS oder GLONASS.
Betriebskosten Betriebskosten sind laufende Aufwendungen, die im Zusammenhang mit der Erbringung von Verkehrsleistungen entstehen. Hierzu zählen bspw. Aufwendungen für Energie, Personal, Trassen- oder Mautgebühren.
UMTS Abkürzung für Universal Mobile Telecommunications System. Internationaler Standard für zellulare Mobilfunknetze, der bei einer Datenübertragungsrate von bis zu 2 Megabit pro Sekunde neben den klassischen Mobilfunkdiensten auch mobile Multimediaanwendungen und einen Internetzugang ermöglicht.
ESA European Space Agency, die Europäische Weltraumorganisation mit Sitz in Paris wurde am 30. Mai 1975 zur Koordinierung der europäischen Raumfahrtaktiviäten gegründet. Aufgabe der ESA ist die Konzeption und Umsetzung eines gemeinsamen europäischen Weltraumprogramms. Die Projektziele reichen von der Erforschung der Erde, ihres unmittelbaren Umfeldes, des Sonnensystems und des Universums bis zur Entwicklung satellitengestützter Technologien und Dienstleistungen sowie Förderung verschiedener europäischer High-Tech-Industrien. Der ESA gehören zurzeit 18 Mitgliedstaaten an: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Großbritannien, Irland, Italien, Luxemburg, Niederlande, Norwegen, Österreich, Portugal, Schweden, Schweiz, Spanien und die Tschechische Republik. Im Rahmen von Kooperationsverträgen sind an bestimmten Projekten auch Ungarn, Rumänien, Polen und Kanada beteiligt.
Global Positioning System Global Positioning System (GPS), offiziell NAVSTAR GPS, ist ein globales Navigationssatellitensystem zur Positionsbestimmung und Zeitmessung. GPS basiert auf Satelliten, die mit kodierten Radiosignalen ständig ihre aktuelle Position und die genaue Uhrzeit ausstrahlen. Aus den Signallaufzeiten können GPS-Empfänger dann ihre eigene Position und Geschwindigkeit berechnen.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?127006

Gedruckt am Freitag, 10. Juli 2020 12:42:03