Mission Erde: Geodynamik und Klimawandel im Visier der Satellitengeodäsie

Offene Professur im Munich Aerospace-Netzwerk

14. April 2021 - Günter W. Hein ist Geschäftsführender Vorstand von Munich Aerospace und Professor für Erdmessung. Bei der European Space Agency (ESA) hat er maßgeblich an der Gestaltung des europäischen Satellitennavigationssystems Galileo mitgewirkt. Im Interview erklärt er, wie Satellitennavigation nicht nur die Sicherheit und den Komfort von Gesellschaften, sondern auch die Klimaforschung prägt.   

Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) wie GPS, GLONASS, BeiDou oder Galileo sind zentrale Messsysteme für Position, Navigation und Zeit. Marktanalysen zeigen, dass bereits mehr als sechs Milliarden Geräte mit GNSS im Umlauf sind. Gibt es Abschätzungen zur gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Relevanz, den die Satellitennavigation heute einnimmt?

Günter Hein: Seit vielen Jahren wächst der GNSS-Markt explosionsartig und dringt auch immer stärker in das alltägliche Leben ein. Marktanalysen erwarten bis 2029 eine Steigerung auf zehn Milliarden Geräte mit GNSS. Nach der Aussage der ESA entfallen etwa sechs bis sieben Prozent des europäischen Bruttoinlandsproduktes auf die Satellitennavigation. Dies entspricht einem Marktvolumen von etwa 800 Milliarden Euro jährlich. Der Anteil der europäischen GNSS-Industrie am weltweiten Navigationsvolumen wird im Marktbericht 2019 der Europäischen GNSS Agentur GSA auf 27 Prozent beziffert.

Den wirtschaftlichen Einfluss von GNSS dominieren die Autoindustrie und der sogenannte consumer-Bereich, also ortsabhängige Dienste durch Mobilfunkgeräte und Tablets. Autonomes Fahren, die automatische Steuerung von Industrie- und Landwirtschaftsmaschinen sowie die Bereiche Verkehrsmanagement, Transportlogistik und Flottenmanagement sind auf die Satellitennavigation angewiesen. Aber auch die Personen­navigation sowie Rettungs- und Suchdienste benötigen zeitlich und räumlich lückenlose Positionsinformationen. GNSS spielt aber auch eine wichtige Rolle in den Bereichen Umweltschutz und -management, Energie und Kommunikation. So sind die präzisen GNSS-Zeitsignale heutzutage weitgehend ein Bestandteil bei kritischen Infrastrukturen wie den modernen Finanz-, Kommunikations- und Energienetzen.

 

Schon lange gibt es das US-amerikanische GPS und das russische GLONASS. Nun werden ab Mitte 2020 das chinesische BeiDou und in Kürze das europäische Galileo voll funktionsfähig sein. Warum genügt GPS nicht?

Günter Hein: GPS und GLONASS entstanden in den 1970er-Jahren als Produkte des Kalten Krieges. Während GPS bereits 1995 voll funktionsfähig war, hatte GLONASS um die Jahrhundertwende infolge der kurzen Lebensdauer der Satelliten, Fehlstarts und Finanzierungsproblemen nach dem Zerfall der Sowjetunion nur sechs Satelliten im Orbit.

Wenn man nun im Nachhinein die Entstehung von Galileo in den Jahren nach 2000 betrachtet, so waren viele der Treiber und Begründungen für ein europäisches Satellitennavigationssystem sicherlich nicht zutreffend. Was für mich persönlich zählt, sind zwei gewichtige Argumente. Erstens: Mit GPS allein hätten wir ein Monopol, und wir wissen, dass in einer solchen Situation ohne Wettbewerb die Entwicklung der Satellitennavigation statisch oder sehr langsam verlaufen würde. Und zweitens: Die Satellitennavigation ist ein Raumfahrtprojekt, das jedem Bürger Dienste zur Verfügung stellt, und nicht nur für eine kurze Zeit von wenigen Jahren wie andere Raumfahrtprojekte, die nur die Fragen einer kleinen wissenschaftlichen Interessengruppe beantworten, sondern für die breite Allgemeinheit über mehrere Dekaden. Ein Satellitennavigationssystem ist somit Teil der Infrastruktur eines modernen Staates und garantiert eine Hightech-Entwicklung über eine lange Zeit, an der die Wirtschaft und Industrie teilhaben wollen.

Schließlich haben auch Gründe der Souveränität und der nationalen Sicherheit dazu geführt, dass der russische Präsident Wladimir Putin GLONASS wiederaufgebaut hat, das chinesische BeiDou-System und auch mehrere regionale Satellitennavigationssysteme wie das indische NavIC, das japanische QZSS und das südkoreanische KPS entstanden oder in der Entwicklung sind.

 

Satellitennavigationssysteme wurden ursprünglich als militärische Systeme für die Navigation entwickelt. Heute sind es sogenannte dual-use-Systeme, die für Aufgaben eingesetzt werden, die man sich damals gar nicht vorstellen konnte. Welche neuen Anwendungen sind in Aussicht?

Günter Hein: Mittels GNSS kann man schon lange präzise die Plattentektonik millimetergenau messen, obwohl die Grundkonzeption von GPS nur für Genauigkeiten von mehreren Metern ausgelegt worden war. Heute wird durch Reflexionen von GNSS-Signalen die Eis- und Meerestopografie bestimmt und es werden Meeresspiegelveränderungen überwacht, Änderungen der Bodenfeuchte gemessen, anhand von Okkultationen der Signale die Atmosphäre tomografisch erfasst, durch Tsunamis und Erdbeben verursachte Wellen in der Atmosphäre nachgewiesen, die Wettervorhersage verbessert, Stromnetze synchronisiert und überwacht, durch GNSS-Position und -Zeit Produktpiraterie verhindert, etc. – um nur einige nicht-konventionelle Anwendungen von GNSS zu nennen. Routinemäßig werden ja heute bereits Wasserdampfmessungen, die aus den Verzögerungen der GNSS-Signale gewonnen werden, für die Wetterprognose verwendet. Die möglichen GNSS-Anwendungen sind nicht technologisch begrenzt, sondern lediglich durch unsere Vorstellungskraft! Bei allem ist zu bedenken, dass GNSS Mehrwertdienste erst ermöglicht. GNSS liefert dazu mittels der Signale den Positions- und Zeitstempel, was viele neuartige und spannende Anwendungen erst ermöglicht und attraktiv werden lässt. Aber auch die Platzierung von sogenannten Pseudolites, GNSS-Signalquellen auf der Oberfläche von Planeten oder in den für Satellitenmissionen immer wichtiger werdenden Lagrange-Punkten weitab der Erde, wird derzeit diskutiert.

 

Welches sind aus Ihrer Sicht die Beiträge der Satellitennavigationssysteme und der Geodäsie insgesamt zu gesellschaftlich relevanten Fragen, wie die Erforschung der Veränderungen durch den Klimawandel?

Günter Hein: GNSS ist das globale Messsystem der Geodäsie für hochpräzise Positionierung, für Navigation und für Zeitbestimmung. Hierfür ist es notwendig, dass das geodätische Referenzsystem verbessert wird und nachhaltig eine noch höhere Genauigkeit aufweisen kann. Jede Veränderung der Erdoberfläche, tektonische Plattenbewegungen, der Meeresspiegelanstieg und das Abschmelzen des Eises an den Polkappen, kann durch präzise GNSS-Positionierung bestimmt und kontinuierlich überwacht werden.

Im Mai 2020 ist eine Publikation der National Science Foundation (NSF), einer unabhängigen Behörde der US-Regierung für die finanzielle Unterstützung von Forschung und Bildung, „A Vision for NSF Earth Sciences 2020–2030“ erschienen. Darin werden elf prioritäre Fragen für den Bereich Erdwissenschaften formuliert. Zu vielen dieser Fragen kann die Geodäsie mithilfe von GNSS signifikante Beiträge leisten und mit den Daten auch benachbarte Geowissenschaften unterstützen, zum Beispiel: Wann, warum, wie begann und wie zeigt sich nun der Prozess der Plattentektonik? Was ist ein Erdbeben, was treibt Vulkanismus an? Was sind Ursache und Konsequenzen von Änderungen der Topografie? Wie ändert sich der Wasserkreislauf der Erde? Wie können die Erdwissenschaften Risiko und Gefahren von Naturkatastrophen minimieren?

Ein enormes Bedrohungs- und Zerstörungspotenzial geht beispielsweise von Tsunamis aus. Deshalb werden in besonders gefährdeten Regionen wie etwa in Japan Frühwarnsysteme betrieben, bei denen GNSS eine gewichtige Rolle spielt. Dazu gehört ein dichtes GNSS-Stationsnetz, um horizontale und vertikale Bodenbewegung im Küstenbereich aufzudecken, aber auch GNSS-Küstenpegel und GNSS-Pegelmess-Bojen im Ozean.

Aber auch die Überwachung des erdnahen Raums und der Atmosphäre sind zukünftige Aufgaben. Dazu gehört auch die 3D-Tomografie der Elektronendichte in der Ionosphäre als geodätischer Beitrag zum Forschungsgebiet Weltraumwetter. Dies ist ein gesellschaftlich sehr relevantes Thema, denn geomagnetische Sonnenstürme können ein gewaltiges Gefahrenpotenzial für unsere digital vernetzte und hochtechnisierte Infrastruktur mit sich bringen.

 

Wie sehen Sie die Rolle der Wissenschaft beim Thema Klimawandel? Wo müssen wir unsere Anstrengungen verstärken?

Günter Hein: Zunächst ist es absolut notwendig, durch Öffentlichkeitsarbeit das Bewusstsein von Politik und Bevölkerung so zu stärken, dass klar wird, dass der Klimawandel einschneidende gesellschaftliche Maßnahmen erforderlich macht. Die bestimmenden Parameter hierfür kann die Erdsystemforschung mit den global verfügbaren Erdbeobachtungsdaten erbringen und kontinuierlich weiter überwachen. Klar muss auch sein, dass die nachhaltige Absicherung der dafür notwendigen Infrastruktur finanzielle Anstrengungen erfordert. Wichtig ist ferner, dass eine Wissenschaftsdisziplin in Zukunft nicht allein und isoliert agiert. Denn unser komplexes Erdsystem erfordert eine interdisziplinäre Forschung, um ein tiefgreifendes Verständnis der durch den Klimawandel ausgelösten Prozesse gewinnen zu können.

Wenn man an die Raumfahrt und GNSS denkt, müssen die Bürger überzeugt werden, dass Satellitennavigation jedem Erdbewohner dient. Wir haben dazu bei der Forschung von Munich Aerospace drei Leitmotive definiert, nämlich Space for Earth, Moving People und Data for Citizens. Damit wird die Bedeutung der Beobachtung der Erde aus dem Weltraum angesprochen, aber auch die zentrale Bedeutung der GNSS-Navigationstechnologie – zum Beispiel beim autonomen Fahren und Fliegen – wie auch die Wichtigkeit von Daten und deren Sicherheit für unsere Gesellschaft. Im Rahmen von New Space mit den kostengünstigen Kleinsatelliten und Mini-Launchern können in Zukunft auch regionale Anwendungen ermöglicht werden, wie beispielsweise smart farming durch wassersparende Bewässerungsempfehlungen in einer kohlendioxidneutralen Landwirtschaft. Bei der Erdbeobachtung fallen schon heute gewaltige Datenmengen an, deren Verarbeitung eine Herausforderung ist. Für deren Nutzung zur Untersuchung der globalen Veränderungen und des Klimawandels, aber auch zur Bereitstellung hochwertiger Informationen für Entscheidungsträger und Bürger werden die Digitalisierung sowie effiziente Algorithmen aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz eine entscheidende Rolle spielen. Für viele globale Anwendungen kann die Geodäsie zentrale Beiträge liefern und neue Beobachtungskonzepte entwickeln. Wir müssen aber Anstrengungen unternehmen, die notwendige Infrastruktur aus boden- und weltraumgestützten Messsystemen nachhaltig auszubauen und zu sichern.

 

Was sind die größten Herausforderungen für GNSS in den nächsten Jahren? Wohin geht die Reise?

Günter Hein: Die großen Herausforderungen sind die Erkennung, Unterdrückung und Vermeidung von mutwilligen Störsignalen, also dem jamming und spoofing, sowie von Cyberangriffen – und zwar nicht nur solche, welche die Nutzerseite beeinträchtigen, sondern auch solche, welche die Satelliten betreffen. Das autonome Führen von Fahrzeugen und viele andere sicherheitsrelevante Anwendungen wie der Landeanflug von Passagierflugzeugen sowie der Schutz von kritischer Infrastruktur wie Rechner- und Kommunikationsnetze, welche mit GNSS-Signalen synchronisiert werden, erfordern eine sichere und ununterbrochene Verfügbarkeit der Satellitennavigation. Die heute in den Labors entwickelte Quantenkommunikation wird bei der sicheren Datenübertragung vom Betreiber zum Satelliten und vom Satelliten zum Nutzer in der nahen Zukunft eine wichtige Rolle spielen.

Auf Systemseite wird die Satellitennavigation sicherlich auch durch Entwicklungen stark beeinflusst werden, welche unter dem Begriff New Space zusammen­gefasst werden. Die Entwicklung der vielen Mini- und Nanosatelliten, sogenannter cubesats, aber auch von flexiblen Kleinraketen wird dazu führen, dass die in Bahnhöhen von rund 20.000 Kilometern platzierten GNSS-Systeme durch Satellitensysteme und Missionen in Höhen von lediglich 400 bis 1000 Kilometern über der Erdoberfläche ergänzt werden. Das bedeutet unter anderem auch für die Geodäsie, dass Zentimetergenauigkeiten in Echtzeit mit nur einem GNSS-Empfänger möglich werden. Derzeit sind noch zehn bis 15 Minuten erforderlich, um solche Genauigkeiten zu erhalten. Möglich wird dies durch die hohen Geschwindigkeiten der tief fliegenden Satelliten, denn die entsprechend großen Dopplerverschiebungen der Signalfrequenzen erlauben die Bestimmung der unvermeidlichen Mehrdeutigkeiten der GNSS-Trägerphasen in Echtzeit.

Wo die Reise hingeht? Hierzu kann ich Galileo Galilei zitieren. Der hat gesagt: „Alles messen, was messbar ist – und messbar machen, was noch nicht messbar ist.“

Vielen Dank, Herr Hein.

 

Günter W. Hein ist Professor für Erdmessung, seit 2015 Emeritus of Excellence, und leitete von 1983 bis 2008 das Institut für Erdmessung und Navigation an der Universität der Bundeswehr in München. Er war von 2008 bis 2014 Head of Department EGNOS & GNSS Evolution Programme bei der European Space Agency (ESA) und hat maßgeblich an der Gestaltung des europäischen Satellitennavigationssystems Galileo mitgearbeitet. Heute ist er unter anderem Geschäftsführender Vorstand von Munich Aero­space. Im Jahr 2002 erhielt er den renommierten, einmal jährlich weltweit vergebenen Johannes Kepler Award des US Institute of Navigation. Die Technische Universität Prag hat ihn 2013 mit der Ehrendoktorwürde geehrt. Zusammen mit seinem Team erhielt er 2017 den „European Inventor Award“ des Europäischen Patentamts für die Galileo-Signalentwicklung.

Das vollständige Interview ist im Februar 2021 erstmalig erschienen in: Angermann, D., Pail, R., Seitz, F., Hugentobler, U.: Mission Erde: Geodynamik und Klimawandel im Visier der Satellitengeodäsie", Springer-Verlag, Berlin 2021.  

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