Hochgenaue Uhren – Galileos schlagendes Herz

Galileo constellation
10 Mai 2007

Seit der Entwicklung des Marinechronometers im achtzehnten Jahrhundert verlassen sich Reisende bei der Navigation auf eine genaue Zeitmessung. Auch Galileo, das europäische Navigationssystem des 21. Jahrhunderts, beruht auf Uhren - die allerdings Millionen Mal genauer als jene frühen Chronometer ticken.

Die Galileo-Satelliten der fertigen Konstellation werden zwei Typen von Uhren mit sich führen: passive Wasserstoff-Maser und Rubidium-Frequenznormale. Jeder Satellit ist dann mit zwei Wasserstoff-Masern ausgestattet, wovon einer als Hauptreferenz zur Generierung der Navigationssignale dient und der andere als „kaltes“ (nicht in Betrieb befindliches) Ersatzelement bereitsteht.

Darüber hinaus werden an Bord jedes aktivierten Satelliten zwei Rubidium-Uhren vorhanden sein. Eine der Uhren wird als „heiße“ (laufende) Ersatzkomponente für den im Einsatz befindlichen Wasserstoff-Maser verwendet, die bei einem Ausfall des Masers ohne Verzögerung einspringt und eine ununterbrochene Signalgenerierung gewährleistet. Die zweite Rubidium-Uhr dient als inaktiver Ersatz.

Der derzeit im Orbit kreisende Galileo-Testsatellit GIOVE-A führt eine aktive und eine inaktive Rubidium-Uhr als Ersatz mit sich. GIOVE-B, dessen Inbetriebnahme noch für dieses Jahr vorgesehen ist, wird mit einem Wasserstoff-Maser und zwei Rubidium-Uhren (einer „heißen“, einer „kalten“) ausgestattet sein. Der in der zweiten Jahreshälfte 2008 startbereite Satellit GIOVE-A2 soll die gleiche Zeitmesser-Nutzlast wie GIOVE-A transportieren und zusätzliche Navigationssignale aussenden.

Passive hydrogen maser under test
Passive Hydrogen Maser under test

Die passiven Wasserstoff-Maser des Galileo-Systems messen die Zeit mit einer Genauigkeit von rund einer Nanosekunde (einem Milliardstel einer Sekunde) je 24 Stunden. Das entspricht einer Abweichung von einer Sekunde in 2,7 Millionen Jahren. Die Rubidium-Uhren sind bis auf 10 Nanosekunden pro Tag genau. Eine normale digitale Armbanduhr erreicht im Vergleich dazu eine Genauigkeit von rund einer Sekunde pro Tag.

Galileos passive Wasserstoff-Maser werden also ungefähr eine Milliarde Mal präziser sein als eine digitale Armbanduhr.

Genauigkeit ist gefragt

GIOVE-B in orbit (artist's impression)
GIOVE-B in orbit (artist's impression)

Im Prinzip werden die Galileo-Nutzer eines Tages ihre Position ermitteln, indem sie die Zeit messen, die die von den Satelliten der Galileo-Konstellation ausgesendeten Radiowellen benötigen, um sie zu erreichen. Radiowellen breiten sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 300 Millionen Metern pro Sekunde aus und legen folglich in einer Nanosekunde eine Strecke von ca. 0,3 Metern zurück. Um Navigationsgenauigkeiten bis auf einen Meter bieten zu können, muss Galileo die Zeit deshalb mit einer Präzision im Nanosekundenbereich messen.

Sozusagen als Nebenprodukt der hochgenauen Satellitennavigation ermöglicht Galileo Präzisionszeitdienste für andere Zwecke wie etwa die zeitliche Markierung finanzieller Transaktionen.

Galileo ist ein Gemeinschaftsprojekt der ESA und der Europäischen Kommission. Mit der vollständigen Inbetriebnahme zu Beginn des nächsten Jahrzehnts wird es als erstes ziviles Ortungssystem global zur Verfügung stehen.

Copyright 2000 - 2014 © European Space Agency. All rights reserved.