Wie arbeitet Galileo?

Das Funktionsprinzip von Galileo entspricht dem von GPS, hat jedoch einige technische Innovationen zu bieten, die zu höheren Ortungsgenauigkeiten führen und damit auch neuartige Dienstleistungen ermöglichen. Ein zentrales Element der Neuerungen sind neben den vier sich an Bord jedes Satelliten befindenden ultrapräzisen Atomuhren, die Anzahl der Frequenzen, auf denen die Signale ausgesendet werden und die Struktur der Signale. Die eingesetzten Atomuhren sind die genauesten, die im Weltraum arbeiten.

Die Satelliten

Das Kernstück ist das sogenannte Weltraumsegment (Space Segment), das nach dem vollständigen Aufbau aus 30 Satelliten besteht, die gleichmäßig auf drei kreisförmigen Umlaufbahnen in 23 222 km Höhe verteilt sind. Die Bahnebenen der drei Umlaufbahnen sind gegeneinander jeweils um 120 Grad versetzt. Die Bahnneigung der Ebenen zum Äquator beträgt 56 Grad. Auf jeder Ebene befinden sich zehn jeweils um 40 Grad versetzt fliegende Satelliten. Neun Satelliten sind operationell und einer wird als Reserve in der jeweiligen Bahnebene vorgehalten. Auf diese Weise können auf der Erde an jedem beliebigen Ort in der Regel die Signale von sechs bis acht Satelliten empfangen werden.
Die Abweichung eines Satelliten von seinem Platz innerhalb der Bahnebene darf höchstens 2 Grad betragen. Das entspricht etwa 1000 km.

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 nennenswerten Störungen durch die Restatmosphäre der Erde auf, so dass nur selten Korrekturmanöver erforderlich sind. Damit kann ein zuverlässiger Betrieb über viele Jahre gewährleistet werden. Geplant sind für jeden Satellit mindestens 12 Jahre aktiver Betrieb.

An Bord: Die genauesten Weltraum-Atomuhren

Das Funktionsprinzip erfordert eine sehr genaue Zeitmessung, um die Laufzeit des Signals vom Satelliten zum Empfänger im Bereich von Milliardstel-Sekunden genau zu ermitteln, eine Voraussetzung zur präzisen Ortsbestimmung des Empfängers. Deshalb ist das Herz aller modernen Navigationssatelliten der Zeitgeber, eine Atomuhr.
Diese Uhr nutzt als Zeitbasis keine schwingende Masse, sondern den Übergang von Atomen zwischen verschiedenen Energieniveaus. Dazu wird ein Atom durch äußere Energiezufuhr auf ein höheres Energieniveau gehoben. Anschließend springt es – unter Energieabgabe – wieder auf sein altes stabiles Niveau zurück. Dieses Schwingen geschieht mit einer sehr präzisen Frequenz.
Jedes Atom hat dabei seine eigene charakteristische Frequenz. Man kann sie über die Energieabgabe des Atoms ermitteln und an einen Zähler weiter geben. Die erste Atomuhr wurde übrigens 1955 in England entwickelt und hatte damals die Größe eines Büroraumes, nichts für den Flug ins All. Die rasche technische Entwicklung führte schließlich zu miniaturisierten und robusten Uhren, die auch den widrigen Bedingungen im Weltraum standhalten.

An Bord von Galileo befinden sich vier Atomuhren, je zwei Maser-Uhren (microwave amplification by stimulated emission of radiation) sowie zwei Rubidium-Uhren. Im Regelfall liefert eine Maser-Uhr die Bordzeit, während die anderen als Backup dienen.

Die bei Galileo verwendeten Maser-Uhren arbeiten mit Wasserstoffatomen, die eine Frequenz von 1,420 GHz erzeugen. Die Uhr erreicht eine Abweichung von lediglich einer Sekunde in drei Millionen Jahren. Die als Backup genutzten Rubidium-Uhren arbeiten mit verdampftem Rubidium. Ihre „Ungenauigkeit“ beläuft sich auf eine Sekunde in 760 000 Jahren.

Beide Uhrentypen sind kleine Wunderwerke der Technik, denn neben einer aufwändigen Auswerteelektronik werden empfindliche Sensoren sowie Vorrichtungen zur Erzeugung von Vakuum und dem Handling mit Gasen benötigt. Dabei muss die gesamte Uhr so konstruiert sein, dass sie unter Weltraumbedingungen mindestens 15 Jahre wartungsfrei arbeitet.