Navigationssystem: GPS misst Windgeschwindigkeit

Neuer Einsatzzweck für GPS: US-Wissenschaftler nutzen das Satellitennavigationssystem, um Windgeschwindigkeiten zu messen. Sie messen, wie stark Wellen reflektierte GPS-Signale streuen.

Artikel veröffentlicht am 16. Juli 2013, 16:20 Uhr, Werner Pluta

GPS-Satellit im All (Symbolbild): 60 Prozent des Signals reflektiert (Bild: US Air Force)

Normalerweise weist das Global Positiong System (GP) den Weg. US-Wissenschaftler haben einen anderen nützlichen Einsatzzweck für das Satellitennavigationssystem gefunden: Sie nutzen die GPS-Signale, um Windgeschwindigkeiten zu messen. Vorgestellt wird das Verfahren in der Fachzeitschrift Radio Science.

Die GPS-Satelliten senden ständig Funksignale zur Erde. Diese werden von einer Oberfläche reflektiert - ähnlich wie ein Licht von einem Spiegel. Wenn die Funkwellen auf Wasser treffen - in dem Fall auf die Meeresoberfläche -, werden etwa 60 Prozent des Signals reflektiert. Diese Tatsache machen sich die Forscher um Stephen Katzberg vom Langley Research Center der US-Raumfahrtbehörde Nasa in Hampton im US-Bundesstaat Virginia zunutze.

Wind macht Welle

Die Meeresoberfläche ist ständig in Bewegung - umso mehr, je stärker der Wind weht. Der Wellengang verändert das reflektierte Signal. "Wenn ein GPS-Signal auf eine Welle trifft, stört deren unebene Oberfläche die Reflexion, indem sie die Signale in verschiedene Richtungen streut", erklärt Katzberg. Je höher ein Sturm die Wellen auftürme, desto stärker würden die Signale gestreut, und das werde gemessen.

Die Messungen werden von einem Flugzeug aus durchgeführt: Das wird mit GPS-Chips ausgestattet. Die Empfänger messen die Signale von den Satelliten sowie die von den Wellen reflektierten. Ein Computer vergleicht die Werte und errechnet die Windgeschwindigkeit. Die Werte seien bis auf etwa 5 Meter pro Sekunde genau - ein Wirbelsturm der Kategorie 3 hat Windgeschwindigkeiten von rund 55 Metern pro Sekunde.

Bislang wird die Geschwindigkeit eines Wirbelsturm mit sogenannten Dropsonden gemessen. Das ist ein Rohr, das mit Messinstrumenten vollgestopft ist. Die Sonde wird von einem Flugzeug über dem Sturm abgeworfen und segelt an einem Fallschirm zur Erde. Die Sonde erfasst neben der Windgeschwindigkeit noch weitere Daten wie Luftdruck oder Temperatur. Ihre Geschwindigkeitsmessungen sind auch genauer - bis auf etwa 0,5 Meter pro Sekunde.

Teure Einwegsonden

Das Problem der Dropsonden: Sie können nur einmal eingesetzt werden. Bei einem Flug über einen Wirbelsturm werden typischerweise um die 20 Sonden abgeworfen - die jeweils 750 US-Dollar kosten. Sie werden deshalb nur in starke Stürme oder in ihrem direkten Umfeld abgeworfen. Über die Entwicklung der Windgeschwindigkeiten in größerer Entfernung gebe es bislang keine genauen Daten, sagen die Forscher.

Mit ihrer neuen Methode könnten diese Daten künftig erhoben werden, sagt Katzberg. Wenn Flugzeuge ohnehin mit GPS ausgestattet seien, könnten sie auch gleich die Winddaten erfassen. Die GPS-Messungen sollen die Sonden also nicht ersetzen, sondern ergänzen. 2016 will die Nasa das Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS) starten, eine Konstellation aus kleinen Satelliten, die die von den Ozeanen reflektierten GPS-Signale messen sollen.