Seltsame Ausfälle: Forscher haben herausgefunden, warum die europäischen „Swarm“-Satelliten immer wieder für kurze Zeit ihr GPS-Signal verlieren. Demnach sind sturmartige Turbulenzen in der Ionosphäre daran schuld. Sie führen dazu, dass die Signale der GPS-Satelliten abgelenkt oder geschluckt werden. Dieser Störeffekt tritt vor allem am Äquator und in der ersten Nachthälfte auf. Das Wissen um die Ursachen könnte auch die irdische GPS-Ortung verlässlicher machen.
Seit 2013 umkreist ein Satelliten-Trio der Europäischen Raumfahrtagentur ESA die Erde. Aufgabe der Swarm-Satelliten ist es unter anderem, das irdischen Magnetfeld zu kartieren. Doch bei der Auswertung der Daten zeigte sich ein rätselhaftes Phänomen: Immer wieder verloren die Satelliten für kurze Zeit das Signal von einem oder sogar mehreren GPS-Satelliten. Insgesamt 166 Mal trat dieser GPS-Signalverlust in den ersten beiden Jahren der Swarm-Mission auf.
Häufung nach Sonnenuntergang
Aber warum? Claudia Stolle vom GeoForschungszentrum Potsdam und ihre Kollegen haben dies nun näher untersucht. Dabei stellten sie eine Auffälligkeit fest: Besonders häufig verloren die Satelliten ihr Ortungssignal, wenn sie den Äquator überflogen. Ein Großteil dieser Signalverluste trat zudem zwischen Sonnenuntergang und Mitternacht auf. Ausfälle gab es aber auch in hohen Breiten, dann aber mittags.
Diese räumliche und zeitliche Verteilung der Signalausfälle brachte die Forscher der Ursache auf die Spur. Denn entlang des magnetischen Äquators der Erde treten nach Sonnenuntergang in der Ionosphäre häufig lokale Störungen auf. Tagsüber werden Gasatome in dieser oberen Atmosphärenschicht von UV-Licht der Sonne ionisiert und bilden eine dichte, von freien Elektronen erfüllte Schicht.
Blasen in der Ionosphäre
Nach Sonnenuntergang jedoch können sogenannte ionosphärische Stürme Turbulenzen in dieser Schicht auslösen, die nahezu elektronenfreie Blasen und Löcher in die Ionosphäre reißen. „Diese ionosphärischen Stürme sind schon lange wohlbekannt“, erklärt Stolle. „Aber erst jetzt haben wir eine direkte Verbindung zwischen ihnen und dem Verlust des GPS-Signals gefunden.“
Wie sich zeigte, sorgen die Blasen und Turbulenzen in der Ionosphäre dafür, dass die GPS-Signale abgelenkt und gestreut werden – und deshalb nicht mehr am Swarm-Satelliten und auch nicht mehr auf der Erde ankommen. „Einige Minuten lang kann dadurch die Ortung eines oder sogar mehrerer Satelliten unterbrochen sein“, erklärt Stolle.
Anpassungen machen GPS verlässlicher
Die Entdeckung der Ursache für die rätselhaften Ausfälle kann nun dabei helfen, die GPS-Ortung von Satelliten in niedrigen Erdorbit, aber auch von Flugzeugen, Schiffen und anderen irdischen Empfängern verlässlicher und stabiler zu machen. Zum einen verraten die GPS-Ausfälle mehr darüber wann solche Ionosphären-Stürme auftreten und welche Rolle die Aktivität der Sonne dabei spielt.
Zum anderen können nun GPS-Empfänger so eingestellt werden, dass sie möglichst unempfindlich gegenüber solchen Turbulenzen sind. Wie die Forscher erklären, spielt dabei die Bandbreite der Empfänger eine wichtige Rolle. (Space Weather, 2016; doi: 10.1002/2016SW001439)
(Technical University of Denmark, 05.10.2016 – NPO)
