Wie Satelliten den Alltag prägen: Von GPS-Navigation bis zu Wettervorhersagen

Die meisten Menschen nutzen eine Karten-App oder schauen sich eine Wettervorhersage an, ohne zu bedenken, was beides möglich macht. Hinter beiden steckt eine Schicht von Satelliten in unterschiedlichen Umlaufbahnen, von denen jeder für eine bestimmte Aufgabe gebaut wurde, wie die offizielle GPS-Informationsseite der US-Regierung GPS.gov und die US-amerikanische National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) erklären.

Wie GPS-Satelliten Ihren Standort bestimmen

GPS.gov beschreibt das Global Positioning System als ein von den USA betriebenes Hilfssystem, das auf drei Komponenten aufgebaut ist: ein Raumsegment, ein Kontrollsegment und ein Nutzersegment. Das Raumsegment besteht aus einer 'Nominalkonstellationen von 24 aktiven Satelliten', die ständig ihre Position und die genaue Uhrzeit übertragen. Bodenkontrollstationen überwachen und passen diese Satelliten an, während Empfänger in Handys, Autos und Flugzeugen die Signale empfangen, um den Standort eines Nutzers zu berechnen, wie GPS.gov erklärt.

Die NASA Space Place, eine von dem Jet Propulsion Laboratory betriebene Bildungsseite, erklärt die zugrunde liegende Mathematik in einfacheren Worten: Die heutige Konstellation umfasst mehr als 30 aktive Satelliten, und ein Empfänger benötigt Signale von mindestens vier davon, um eine präzise dreidimensionale Position durch ein Verfahren namens Trilaterierung zu berechnen. Nach der NASA sind Standard-GPS-Empfänger normalerweise auf einige Meter genau, während spezialisierte Empfänger dies auf einige Zentimeter eingrenzen können.

GPS.gov vermerkt, dass die US-Space Force die GPS-Satelliten und das Bodenkontrollnetzwerk entwickelt, wartet und betreibt, während das Signal selbst kostenlos für zivile Nutzer weltweit bereitgestellt wird, z. B. für Fahrtrichtungen und Wandernavigation.

Über alltägliche Navigation hinaus führt NASA Space Place Notfallmaßnahmen auf: GPS-basierte Sensoren tragen zu Tsunami-Frühwarnsystemen bei, helfen bei der Verfolgung von vulkanischen Bodenverformungen und beschleunigen die Schadensbeurteilung nach Erdbeben.

Zwei Arten von Umlaufbahnen hinter Ihrer Wettervorhersage

Die Wettervorhersage stützt sich auf eine andere Reihe von Satelliten, und der National Environmental Satellite, Data, and Information Service (NESDIS) der NOAA sagt, dass die Behörde zwei Haupttypen von Satelliten betreibt, die zusammenarbeiten. Geostationaire Satelliten, Teil des Programms Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES), umkreisen die Erde etwa 22.236 Meilen über dem Äquator und entsprechen der Erdrotation, sodass sie über der gleichen Region verbleiben. NESDIS erklärt, dass GOES-Satelliten ihre Bilder so häufig wie alle 30 Sekunden aktualisieren, was sie zentral für kurzfristige Vorhersagen und Echtzeit-Sturmverfolgung macht; GOES-16 deckt Nordamerika und den Atlantik ab, während GOES-17 den Pazifik deckt.

Der zweite Typ, polar-umkreisende Satelliten des Joint Polar Satellite System (JPSS), fliegen viel näher an der Erde – etwa 512 Meilen oben – und umkreisen den Pol etwa 14-mal täglich, wie NESDIS erklärt. Jeder Durchgang deckt einen schmaleren Streifen ab, aber da der Satellit näher ist, ist die Bildqualität höher auflösend, und die gesamte Flotte bildet den gesamten Planeten mindestens zweimal täglich ab. NESDIS gibt an, dass diese globalen Daten numerische Wettermodelle speisen, die Vorhersagen mehrere Tage im Voraus erzeugen, während die geostationaire Satelliten das unmittelbare, lokalisierte Bild handhaben.

Europas Erdbeobachtungssatelliten

Die Europäische Weltraumagentur (ESA) betreibt die Copernicus-Sentinel-Satelliten, die ESA als fünf Familien von Satelliten mit unterschiedlichen Instrumenten beschreibt, die zusammen eine Überwachung über das Wetter hinaus unterstützen. Die ESA gibt an, dass Sentinel-1 zum Beispiel Meereölaustritte, Meereis, Landbedeckung und Oberflächenverformung verfolgt, und dass Copernicus-Daten insgesamt die Katastrophenüberwachung, humanitäre Hilfe und maritime Sicherheit unterstützen, z. B. um Schiffe sicher durch Meereis zu führen.

Warum zwei verschiedene Satellitenumlaufbahnen wichtig sind

Die GPS- und Wetterbeispiele weisen auf eine gemeinsame Designentscheidung in Satellitensystemen hin: Die Höhe ist ein Kompromiss zwischen Abdeckungsbereich und Detail. Satelliten, die weiter entfernt sind, wie GPS-Satelliten oder geostationaire Wettelsatelliten, können ein großes, festes Gebiet ständig beobachten. Satelliten, die näher an der Erde sind, wie polar-umkreisende Wettelsatelliten, verzichten auf ständige Abdeckung eines Ortes zugunsten schärferer, detaillierterer Bilder, wenn sie über Kopf fliegen.

Was dies für alltägliche Nutzer bedeutet

Keines dieser Systeme ist für die Menschen sichtbar, die sich hundertfach täglich darauf verlassen. Eine Navigations-App verwendet stillschweigend Signale von mindestens vier GPS-Satelliten, um einen blauen Punkt auf einer Karte zu platzieren, wie NASAs Erklärung der Trilaterierung zeigt. Die Vorhersage einer Wetter-App basiert auf Bildern, die von Satelliten 22.236 Meilen oben und anderen nur 512 Meilen oben zusammengesetzt werden, laut NOAA. Das Ergebnis ist, dass alltägliche Aufgaben – Pendeln, Wettercheck vor dem Verlassen zu Hause oder die Verfolgung eines Sturms – von Hardware abhängen, die weit über der Atmosphäre kreist, über die die meisten Nutzer nie nachdenken.