Wie genau gehen die Uhren der Navigationssatelliten?


Ob auf hoher See, im Cockpit eines Flugzeugs oder beim Bau von Tunneln – die Satellitennavigation wird inzwischen in ganz verschiedenen Bereichen genutzt. Schiffe und Flugzeuge erhalten so genaue Kursangaben, um ihren Weg zu finden. Wenn ein Tunnel von zwei Seiten gleichzeitig in einen Berg gebohrt wird, um schneller fertig gestellt zu werden, sorgen Berechnungen per Navigationssatelliten dafür, dass sich die beiden Röhren unter der Erde auch wirklich ganz genau begegnen. Und auch im Auto und sogar beim Wandern nutzen wir inzwischen die Signale aus der Umlaufbahn.

Navigationsgerät im Auto. Bild: K.-A.
Navigationsgerät im Auto. Bild: K.-A.

Wie aber funktionieren die heutigen GPS-Empfänger – und in Zukunft auch das europäische System Galileo – überhaupt? Und weshalb benötigen sie so genaue Atomuhren an Bord?

Ein GPS-Satellit sendet ständig Signale aus, denen die Information „aufgeprägt“ ist, wo und wann sie ausgesendet wurden. Diese Signale bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, legen also in jeder Sekunde 300.000 Kilometer zurück – oder umgerechnet 30 Zentimeter in jeder Milliardstel Sekunde. Aus der Ankunftszeit beim Empfänger kann der Mini-Computer im „Navi“ nun bestimmen, wie lange das Signal unterwegs war und welche Strecke es dabei zurückgelegt hat.

So wird das europäische Satelliten-Navigationssystem Galileo aussehen. Bild: ESA
So wird das europäische Satelliten-Navigationssystem Galileo aussehen. Bild: ESA

Mit den Signalen mehrerer Satelliten berechnet der Empfänger seinen genauen Ort. Der „Zeitstempel“ auf den GPS-Signalen muss dabei mit einer Genauigkeit von einer Milliardstel Sekunde aufgeprägt werden, um eine Ortsgenauigkeit von etwa einem Meter zu gewährleisten. Und genau das schafft man nur mit Atomuhren, die in einer Million Jahren nur eine einzige Sekunde falsch gehen.
Deshalb gibt es auf den GPS-Satelliten Cäsium-Atomuhren. Die Uhren auf den künftigen Galileo-Satelliten werden noch genauer sein: Es sind nämlich sogenannte „Wasserstoff-Maser-Uhren“.