GPS-System
2012-10-06

Umlaufbahnen der GPS Satelliten

Die Satelliten umkreisen die Erde mit 3,9 km pro Sekunde und haben eine Umlaufzeit von 12 Stunden Sternzeit, was in Erdenstunden 11 Stunden 58 Minuten ausmacht. Das bedeutet, dass der gleiche Satellit jeden Tag etwa 4 Minuten früher über der gleichen Position steht. Die mittlere Enfernung vom Erdmittelpunkt beträgt 26560 km, was bei einem mittleren Erdradius von 6360 km zu einer Bahnhöhe von etwa 20200 km führt. Umlaufbahnen in dieser Höhe werden auch MEO - "medium earth orbit" genannt. Im Vergleich dazu haben geostationäre Satelliten wie die ASTRA oder Meteosat-Satelliten mit 42300 km eine Umlaufbahn in etwa der doppelten Entfernung.

Die GPS-Satellitenbahnen befinden sich in sechs Ebenen, in denen jeweils vier Satelliten in gleichen Abständen vorgesehen waren. Heute sind es meist mehr als 24 Satelliten, was die Verfügbarkeit weiter erhöht. Die Inklination der Ebenen beträgt 55 °. Das bedeutet, dass die Umlaufbahnen die Satelliten bis 55 ° nördlicher und 55 ° südlicher Breite führen. (Die Satelliten des Block I hatten noch eine Inklination der Bahnebene gegenüber dem Äquator von 63 °). Die Ebenen sind in der Äquatorebene um jeweils 60 ° gegeneinander versetzt.

Durch diese besondere Anordnung der Bahnen wird vermieden, dass sich überdurchschnittlich viele Satelliten über den Polen befinden (wie es beim TRANSIT-System mit auf Polbahnen verlaufenden Satelliten der Fall war), andererseits verlaufen die Bahnen nördlich genug, dass auch den Einsatz von GPS in polnahen Gebieten möglich ist. Weiterhin führt diese Anordnung auch zu einer relativ stabilen Konstellation, da Störfaktoren (z.B. Gravitationsfelder, Sonnenwinde) im Mittel auf alle Satelliten gleich einwirken.

Die Anzahl und Anordnung der Satelliten hat zur Folge, dass immer mindestens vier Satelliten überall auf der Welt zu jeder Zeit empfangen werden können. Je weiter man sich allerdings den Polen nähert, desto weiter am Horizont befinden sich die Satelliten, können trotzdem gut empfangen werden, sind jedoch in keinem Fall mehr direkt über Kopf. Aufgrund der Geometrie der Satellitenpositionen kann dies zu geringen Einbußen in der Positionierungsgenauigkeit führen. Diese Geometrieeffekte treten jedoch bei bestimmten Satellitenkonstellationen von Zeit zu Zeit auch an anderen Punkten der Erde auf. Die Entfernungen auf der Darstellung der Bahnen auf dem oberen Bild ist in etwa maßstabsgetreu (Vergleich des Erdradius mit den Umlaufbahnen).

Die nachfolgende Grafik zeigt den Groundtrack (Subsatellitenbahn - Bahn auf der Erde, über dem der Satellit jeweils senkrecht steht) des Satelliten BIIR-07 (PRN 18) von 18.10.01 00:00 Uhr bis 19.10.01 00:00 Uhr. Der gelbe Pfeil zeigt jeweils die 00:00 Zeiten. Man sieht, dass sich die Umlaufzeit leicht (4 Minuten) verschiebt. Der gelbe Punkt zeigt den Subsatellitenpunkt um 21:30 Uhr. Der Satellit steht über Äthiopien. Die dazugehörige "Ausleuchtungszone", innerhalb derer der Satellit sichtbar ist, ist hellblau markiert. Die Grafik wurde mit dem FreeWare Programm WinOrbit erstellt (und leicht modifiziert).

Ground-Track (Subsatellitenbahn) des Satelliten GPS BIIR-07 (PRN 18) von 18.10.2001 00:00 Uhr bis 19.10.2001 00:00 Uhr
Ground-Track (Subsatellitenbahn) eines GPS-Satelliten

Wer sich die Umlaufbahnen der GPS (und auch anderer Satelliten) plastisch vor Augen führen möchte, dem sei folgender Link empfohlen: J-Track 3D. Auf dieser Seite gibt es ein Java-Applet, dass die Umlaufbahnen und Informationen von über 500 Satelliten darstellen kann.

Die Tracks der GPS-Satelliten lassen sich auch auf der Seite GPS Konstellation und Status einsehen.