Die Architektur des Galileo-Systems

Zum satellitengestützten Navigations- und Ortungssystem Galileo gehören eine Vielzahl von Einrichtungen auf der Erde sowie im Weltraum. Sie werden zusammengefasst in ein Weltraumsegment (Satelliten) sowie ein Bodensegment (Bodeneinrichtungen).

Das Weltraumsegment

Das Weltraumsegment (Space Segment) besteht nach dem vollständigen Aufbau aus 30 Satelliten, die gleichmäßig auf drei kreisförmigen Bahnebenen in etwa 23 600 km Höhe verteilt sind und mit dem dazugehörigen terrestrischen Kontrollsegment eine globale Abdeckung garantieren.

Die Bahnneigung der Ebenen zum Äquator beträgt 56 Grad. Auf jeder Ebene befinden sich neun jeweils um 40 Grad versetzt fliegende Satelliten. Ein zehnter Satellit wird als Reserve in der jeweiligen Bahnebene vorgehalten.
Die Abweichung eines Satelliten von seinem Platz innerhalb der Bahnebene darf höchstens 2 Grad betragen. Das entspricht etwa 1000 km.

Mit dieser Satellitenkonstellation wird erreicht, dass stets mindestens vier Satelliten, in der Regel jedoch sechs bis acht, für den Nutzer des Galileo-Systems Daten liefern können. Insgesamt bilden also 27 operationelle Galileo-Satelliten das europäische Navigationssatellitensystem im Weltraum.

Die hohe Umlaufbahn wurde mit Bedacht gewählt, denn aus ihr resultiert eine geringe Winkelgeschwindigkeit der Satelliten, was eine längere Sichtbarkeit über dem Erdhorizont bedeutet. Außerdem treten in dieser Höhe keine störenden Wechselwirkungen mit der Erdatmosphäre auf, so dass nur selten Korrekturmanöver erforderlich sind. Damit kann ein zuverlässiger Betrieb über viele Jahre gewährleistet werden.

Das Bodensegment

Zum Bodensegment gehören alle Einrichtungen auf der Erde, die den Betrieb des Gesamtsystems sicherstellen und die Qualität der gesendeten Navigationsinformationen gewährleisten. Das betrifft in erster Linie Kontrollzentren sowie Bodenstationen.

Kern des Bodensegments bilden zwei Galileo-Kontrollzentren in Deutschland sowie in Italien. Das künftige Galileo-Hauptkontrollzentrum wird am DLR-Standort Oberpfaffenhofen errichtet und von dort aus der Regelbetrieb der 30-Satelliten-Konstellation über mindestens 20 Jahre hinweg durchgeführt. Ausschlaggebend für diese Entscheidung war die im Deutschen Raumfahrt-Kontrollzentrum in Oberpfaffenhofen verfügbare Kompetenz aus 40 Jahren Raumflugbetrieb. Mit der Errichtung soll 2006 begonnen werden.
Ein umfassendes zweites Galileo-Kontrollzentrum mit eigenen Aufgaben für den Regelbetrieb soll in Fucino (Italien) entstehen. Es fungiert auch bei auftretenden Problemen als Backup-Einrichtung.

Die Positionierung der 30 Satelliten werden das Europäische Satellitenkontrollzentrum ESA/ESOC in Darmstadt sowie das französische Raumfahrtzentrum der CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) in Toulouse zu jeweils gleichen Anteilen übernehmen.

Im Geiste eines "Netzwerks der Satellitenkontroll-zentren" ("Network of Centres"-Initiative) wird dabei versucht, die zahlreichen anspruchsvollen Arbeitsaufgaben der Start- und Testphasen von Galileo auf Europas wichtigste Operationskompetenzzentren zu verteilen.

Aufgaben und Arbeitsweise des Kontrollzentrums

Das Galileo-Kontrollzentrum ist in zwei Hauptbereiche gegliedert: in das so genannte Ground Control Segment (GCS) und das Ground Mission Segment (GMS).

Das Ground Control Segment ist für die grundsätzliche Funktionstüchtigkeit der Galileo-Satelliten und ihre korrekten Umlaufbahnen verantwortlich. Hierfür stehen fünf global verteilte Satelliten-Kontrollstationen zur Verfügung, die über 13 Meter-Antennen im S-Band (2,6 – 3,95 GHz) wechselseitig Daten über den Zustand der Raumflugkörper empfangen und Kommandos senden.

Das Ground Mission Segment ist für die Lieferung korrekter Navigationssignale und die Überwachung der Integrität verantwortlich. Dabei wird der Zustand jedes Satelliten daraufhin überprüft, ob sich das von ihm ausgehende Signal innerhalb vorgegebener Toleranzen befindet. Weicht es ab, erhalten die Nutzer spätestens nach sechs Sekunden eine Information über fehlerhafte oder fehlende Signale. Das gesendete Navigationssignal setzt sich aus der Zeit der Atomuhr an Bord, den präzisen Orbitdaten des Satelliten und Integritätsinformationen zusammen.

Zur Ermittlung der nötigen Daten werden über ein Netzwerk von 40 Galileo Sensor Stations (GSS) die Galileo-Signale aller Satelliten ständig im L-Band (1 – 2,6 GHz) von speziellen Referenz-Empfängern erfasst. Die dabei gewonnenen Daten erhält ein Computer des GMS, wo zusammen mit weiteren Informationen (Zeitsignal der Bodenstationsuhren, Ionosphärendaten u.a.) die neuen Orbitdaten jedes Satelliten ermittelt werden. Außerdem erfolgt ein Abgleich aller Borduhren mit der Uhr der Kontrollstation, eine Vorhersage der Bahnverläufe für die nächsten Stunden und die Bewertung der Integrität aller Satellitensignale. Die Berechnung wird alle zehn Minuten durchgeführt. Die Ergebnisse der Berechnungen werden über neun Uplink-Stationen (ULS) mittels 3 Meter-Antennen im C-Band (3,95 – 5,8 GHz) zu den Satelliten übertragen, so dass diese wieder über die korrekten Navigationsinformationen verfügen.

Weitere Einrichtungen der beiden Kontrollzentren steuern die Schnittstellen zu externen Diensten, überwachen den Status der Bodenelemente oder sorgen für die Sicherheit der übertragenen Daten.

Die Aufgaben werden in Kooperation mit europäischen Betriebszentren durchgeführt. Zwei zusätzliche Offline-Facilities in Frankreich und Spanien unterstützen hierbei mit der Bereitstellung von Mess- und Prüfmöglichkeiten die Anwendungsentwicklung.