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Ende Juni soll ein unscheinbarer, 150 Kilogramm schwerer Satellit an Bord der Transporter-14-Mission von SpaceX ins All starten. Sobald sich das Gerät in der Umlaufbahn befindet und sich aktiviert, wird es eine neuartige, hochpräzise Satellitennavigationstechnologie der nächsten Generation testen. Der Plan: Die Mängel, die aktuelle Satellitennavigationssysteme wie das US-amerikanische Global Positioning System (GPS) noch haben, mit der alles vom Auto bis zum Flugzeug seinen Weg findet, mittelfristig endlich beseitigen. Der neue Satellit ist der erste einer geplanten Konstellation namens Pulsar, die vom kalifornischen Unternehmen Xona Space Systems vorangetrieben wird. Die Firma plant mittelfristig die Aktivierung von 258 Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn. Diese Satelliten werden zwar ähnlich wie die für GPS verwendeten funktionieren, jedoch 19.000 Kilometer näher an der Erdoberfläche sein – und damit ein viel stärkeres Signal senden, das genauer und vor allem schwerer zu stören ist.

GPS: Ein System, auf das sich die Welt verlässt – bisher

"Allein aufgrund dieser kürzeren Entfernung bieten wir ein Signal an, das etwa hundertmal stärker ist als das GPS-Signal", sagt Tyler Reid, Chief Technology Officer und Mitbegründer von Xona. "Das bedeutet, dass die Reichweite von Störsendern gegenüber unserem System viel geringer sein wird." Hinzu kommt: Das Signal kann sogar Häuser durchdringen – bestenfalls sogar mehrere Wände tief. Man kann durchaus sagen, dass es Zeit dafür wird. Das erste GPS-System wurde 1993 in Betrieb genommen. In den Jahrzehnten seitdem hat es sich zu einer der grundlegendsten Technologien entwickelt, auf die sich die Welt verlässt. Die präzisen Positions-, Navigations- und Zeitsignale (PNT), die von den GPS-Satelliten ausgesendet werden, sind weit mehr als nur für Google Maps auf dem Smartphone da. Sie steuern Bohrköpfe auf Offshore-Ölplattformen, versehen Finanztransaktionen mit Zeitstempeln und helfen bei der Synchronisierung von Stromnetzen auf der ganzen Welt.

Doch trotz der Unverzichtbarkeit des Systems kann das GPS-Signal leicht unterdrückt, verfälscht oder gestört werden, sei es durch Weltraumwetter, 5G-Mobilfunkmasten oder handygroße Fake-Sender, die nur wenige US-Dollar kosten. Das Problem wird unter Experten seit Jahren diskutiert, ist aber erst in den vergangenen drei Jahren, seit dem Einmarsch Russlands in die Ukraine, wirklich in den Vordergrund der Sicherheitsdebatte gerückt. Der Boom der Drohnenkriegsführung, die diesen Krieg prägt, löste auch einen Wettlauf um die Entwicklung von Technologien zur Abwehr von Drohnenangriffen aus. Zentrales Element dabei ist die Störung der standardmäßig für die Navigation erforderlichen GPS-Signale. Manchmal wird auch das Positionssignal verfälscht, womit sich die Kampfgeräte umleiten lassen. Mittlerweile setzen beide Kriegsparteien deshalb auch auf Drohnen, die an Glasfaserkabeln hängen, damit sie sich nicht so leicht stören lassen.

Das entscheidende Problem von GPS ist die Entfernung, sagten Fachleute: Die Konstellation, die aus 24 Satelliten und einer Handvoll Ersatzerdtrabanten besteht, umkreist die Erde in einer Höhe von 20.200 Kilometern in einer Region, die als mittlere Erdumlaufbahn bezeichnet wird. Bis ihre Signale die Bodenempfänger erreichen, sind sie so schwach, dass sie leicht von Störsendern überlagert werden können. Andere bestehende globale Navigationssatellitensysteme wie Galileo in Europa, GLONASS in Russland und Beidou in China haben ähnliche Architekturen und sind daher mit denselben Problemen konfrontiert. Als Reid und sein Mitgründer Brian Manning bereits 2019 Xona Space Systems aus der Taufe hoben, dachten sie jedoch noch gar nicht an Störsignale und Spoofing. Ihr Ziel war es, autonomes Fahren für den Einsatz in der Praxis vorzubereiten.

Satellitennavigationssystem für das 21. Jahrhundert

Zu dieser Zeit fuhren bereits Dutzende von Roboterautos von Uber oder Waymo auf amerikanischen Autobahnen, ausgestattet mit teuren Sensorpaketen wie hochauflösenden Kameras und Lidar-Technik. Ingenieure kamen zu dem Schluss, dass ein präziseres Satellitennavigationssystem den Bedarf an solchen Sensoren reduzieren und die Entwicklung eines sicheren autonomen Fahrzeugs ermöglichen könnte, das erschwinglich genug für den Massenmarkt wäre. Eines Tages könnten Autos dadurch sogar in der Lage sein, ihre Positionsdaten untereinander auszutauschen, sagt Reid, was Unfälle noch weiter reduziert. Doch Experten wussten, dass GPS bei Weitem nicht genau genug war, um selbstfahrende Autos innerhalb der Fahrspur und von anderen Objekten auf der Straße fernzuhalten. Dies galt insbesondere für dicht bebaute städtische Umgebungen, in denen Signale leicht von Wänden reflektiert werden und Fehler verursachen können.

"GPS hat zwar den Vorteil, dass es ein allgegenwärtiges System ist, das überall auf der Welt gleich funktioniert", sagt Reid. "Aber es ist ein System, das in erster Linie für militärische Anwendungen entwickelt wurde, um beispielsweise fünf Bomben auf dasselbe Ziel abwerfen zu können. Diese Genauigkeit im Meterbereich reicht jedoch nicht aus, um autonome Maschinen sicher an ihr Ziel zu führen und ihren physischen Raum mit Menschen zu teilen." Reid und Manning begannen darüber nachzudenken, wie man ein weltraumgestütztes PNT-System entwickeln könnte, das die Aufgaben des GPS erfüllt, aber besser ist: mit einer Genauigkeit von 10 Zentimetern oder weniger und absoluter Zuverlässigkeit unter allen möglichen Bedingungen. Der einfachste Weg, dies zu erreichen, bestand darin, die Satelliten näher an die Erde zu bringen, damit die Daten ohne ungenaue Verzögerungen in Echtzeit die Empfänger erreichten. Denn: Das stärkere Signal von Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn ist widerstandsfähiger gegen Störungen aller Art.

Als GPS konzipiert wurde, war all das noch gar nicht möglich. Konstellationen in einer niedrigen Erdumlaufbahn – in Höhen von bis zu 2.000 Kilometern – erfordern Hunderte von Satelliten, um eine konstante Abdeckung des gesamten Globus zu gewährleisten. Lange Zeit war die dafür notwendige Weltraumtechnologie zu sperrig und zu teuer, um derart große Konstellationen realisieren zu können. In den vergangenen zehn Jahren hat sich das geändert. Einerseits ist die Technik billiger, andererseits sind die Kosten für Weltraumstarts geschrumpft. "Als wir 2019 begannen, begann das Ökosystem der erdnahen Umlaufbahn zu boomen", sagt Reid. "Wir konnten beobachten, wie Starlink, OneWeb und andere Konstellationen an Fahrt aufnahmen."

In den wenigen Jahren seit der Gründung von Xona sind angesichts zunehmender geopolitischer Spannungen die Bedenken hinsichtlich der Anfälligkeit von GPS gewachsen. Daher ist die Suche nach einem zuverlässigen Ersatz zu einer Frage strategischer Bedeutung geworden. Insbesondere in der Ukraine sind GPS-Störungen samt entsprechenden Manipulationen so alltäglich geworden, dass selbst US-Präzisionswaffen wie das High Mobility Artillery Rocket System (HIMARS) ohne Tricks praktisch blind sind. Hersteller von First-Person-View-Drohnen, die längst zum Symbol des Krieges wurden, mussten sich auf KI-gesteuerte autonome Navigation umstellen, um diese Drohnen einsatzfähig zu halten, oder besagte Glasfaserverkabelung nutzen.

Ein drängendes Problem für Militär und Zivilgesellschaft

Das Problem griff schnell über die Ukraine hinaus. An Russland angrenzende Länder wie Finnland und Estland klagten, dass die zunehmende Verbreitung von GPS-Störsendern samt Spoofing den kommerziellen Flug- und Schiffsverkehr in der Region beeinträchtigt. Clémence Poirier, Forscherin für Weltraumsicherheit an der ETH Zürich, sagt jedoch, dass das Problem der GPS-Störungen nicht auf die Umgebung von Kriegsgebieten beschränkt sei. "Einfache Störsender sind sehr günstig und für jeden online leicht erhältlich", sagt Poirier. "Selbst mit den einfachsten Geräten, die etwa so groß wie ein Handy sind, kann man GPS-Signale in einem Umkreis von hundert Metern oder mehr stören."

Es gibt krasse Beispiele dafür. Im Jahr 2013 störte ein Lkw-Fahrer, der ein solches Gerät benutzte, um seinen Standort vor seinem Chef zu verbergen, versehentlich die GPS-Signale rund um den Flughafen Newark in New Jersey. Im Jahr 2022 meldete der Dallas Fort Worth International Airport einen 24-stündigen GPS-Ausfall, der zu einer vorübergehenden Schließung einer seiner Start- und Landebahnen führte. Die Ursache der Störung konnte nie ermittelt werden. Im selben Jahr kam es am Denver International Airport gar zu einer 33-stündigen GPS-Störung.

"Xona ist eine vielversprechende Lösung, um die Widerstandsfähigkeit GPS-abhängiger kritischer Infrastrukturen zu verbessern und die Gefahr von GPS-Störungen und -Manipulationen zu mindern", lobt Poirier, die die Pläne der US-Firma kennt.

Sie fügt allerdings hinzu, dass es für diese Art von Problemen keine magische Lösung gibt und "eine Vielzahl unterschiedlicher Ansätze erforderlich sein" werde, um die Infrastruktur zu schützen. Tatsächlich ist Xona nicht das einzige Unternehmen, das eine Backup-Lösung für das bislang unverzichtbare, aber zunehmend anfällige GPS anbieten möchte.

PNT-Signale endlich schützen

Konkurrierende Unternehmen wie Anello Photonics mit Sitz in Santa Clara, Kalifornien, sowie Advanced Navigation mit Sitz in Sydney testen bereits terrestrische Lösungen: Trägheitsnavigationsgeräte, die klein und erschwinglich genug sind, um auch außerhalb der High-End-Militärtechnik eingesetzt zu werden. Diese Verfahren nutzen statt teurer Satelliten Gyroskope und Beschleunigungsmesser, um die Position eines Fahrzeugs aus seinen eigenen Bewegungen heraus zu berechnen, was es unabhängig macht.

Wenn diese Technologien in PNT-Empfänger für das traditionelle GPS integriert werden, könnten sie Spoofing erkennen und für die Dauer der Störung das Ruder übernehmen. Die Trägheitsnavigation gibt es schon seit Jahrzehnten und schon vor GPS – aber dank der jüngsten Fortschritte in der Photonik und bei mikroelektromechanischen Systemen hat sie sich mittlerweile verbessert.

Der französische Luftfahrt- und Verteidigungskonzern Safran entwickelte bereits ein System, das PNT-Daten über Glasfasernetzwerke verteilt, die das Rückgrat der globalen Internetinfrastruktur bilden. Aber die Faszination für den Weltraum bleibt bei den GPS-Nachfolgern groß: Die Möglichkeit, jeden Ort jederzeit zu erreichen, hat die US-Technik von einem obskuren Militärsystem zu einer selbstverständlichen Infrastruktur gemacht, ohne die die meisten Menschen heute kaum noch leben können.

Das sorgt für einen interessanten Markt. Xona könnte nämlich auch Konkurrenz aus dem Weltraum bekommen. Das in Virginia ansässige Unternehmen Trustpoint sammelt derzeit Mittel für den Aufbau einer eigenen PNT-Konstellation in der erdnahen Umlaufbahn, und einige Weltraumforscher haben vorgeschlagen, die Signale des SpaceX-Internetsatellitendienstes Starlink für PNT-Dienste zu nutzen, schließlich ist die Abdeckung längst da.

Xona hofft, sich seinen Platz auf dem Markt zu sichern, indem es sein Signal so aufbereitet, dass es mit dem von GPS kompatibel ist. Hersteller von GPS-Empfängern könnten dann die neue Konstellation problemlos in bestehende Technologien integrieren, also das beste aus beiden Welten.

Dieser Beitrag ist zuerst bei t3n.de erschienen.