Satellitenwelt - Russische Navigationssatelliten der Parus Serie

Die erste Generation des russischen Satellitennavigationssystems bestand aus einem militärisch Teil mit Namen Parus (dt. Segel) und einen zivilen Teil, welcher Zikada (dt. Heuschrecke) genannt wurde. Das amerikanische Satellitennavigationssystem Transit, was bereits seit 1964 arbeitete, wurde Ende 1996 in den Ruhestand versetzt, bzw. durch das GPS ersetzt. Der militärische Teil des russische Satellitennavigationssystems ist hingegen lange noch in Betrieb geblieben, wenn auch nicht mehr in voller Stärke und auch obwohl Russland das Nachfolgesystem GLONASS seit 1993 für die Navigation als offiziell betriebsbereit erklärt hat. Warum die Parus-Satelliten noch in Betrieb waren kann man nur spekulieren. Vielleicht war die russische U-Boot Flotte noch immer mit den Shkhuna-Empfangsgeräten ausgestattet und daher wurde das veraltete System in Funktion gehalten.
Zwischen 1974-2010 wurden insgesamt 100 Parus-Satelliten erfolgreich gestartet. Pro Jahr wurden ca. 1-5 neue Satelliten in die Umlaufbahn gebracht, da die Satelliten nur eine Lebensdauer von max. 4 Jahre hatten. Im April 2010 wurde der Kosmos-2463 gestartet, welcher als letzter Satellit diese Serie beendete. Nur wenige Tage nach dem Start stellte man bei dem Kosmos-2463 eine scheinbare Fehlfunktion des UHF-Senders fest. Verteilt über einen Bereich von mehr als 1,8 MHz, gibt es aller 143-kHz-Schritte Trägersignale einer streuenden Tracking Beacon. Bob Christy hat über seine Beobachtungen auf der Seite Cosmos 2463 - Broken? berichtet. Von den Zikada-Satelliten wurden nur 31 Satelliten zwischen 1976-2002 gestartet. Im November 2003 ist das zivile System deaktiviert worden. Zehn solcher Satelliten bildeten damals das Gesamtsystem, welches aus sechs militärischen Parus-Satelliten mit einer versetzten Bahnebene von 30 Grad bestand und aus vier zivilen Zikada-Satelliten, die das System mit einer Bahnebene von 45 Grad ergänzten. Da sich die Satelliten im LEO auf einer nahezu kreisförmigen Umlaufbahn in einer Höhe von ca. 1.000 km über der Erdoberfläche befianden, konnte die Wartezeit schon mal mehrere Stunden dauern, bis ein für die Positionsbestimmung geeigneter Überflug stattfand. Die Genauigkeit des Systems für die Positionsbestimmung war vergleichbar mit den Transit-Satelliten und wurde mit ca. 100 Metern angegeben, auch wenn dieser Wert erst bei der Messung von mehreren Überflügen bzw. mit verschiedenen Satelliten erreicht worden ist. Das Parus System ist nach dem Funktionsende des letzten Satelliten der Serie dem Kosmos-2463 im Jahr 2018 stillgelegt worden.

Russischer Navigationssatellit mit einer UHF Kegelspiral-Antenne und VHF Wendelantenne.

Um die Position des Standortes zu berechnen, wird die Frequenzverschiebung eines von dem Satelliten ausgesendeten Radiosignals gemessen. Zusätzlich ist die genaue Kenntnis der Satellitenposition zu einem gegebenen Zeitpunkt nötig, welche der Satellit in einem Datensignal ständig übermittelt. Die damaligen amerikanischen Navigationssatelliten des Transit-Systems und die russischen Parus/Zikada Navigationssatelliten, nutzten immer ein Frequenzpaar. Es besteht aus einer UHF-Frequenz im Satellitenband um ~400 MHz, auf dessen eine Tracking Beacon (frequenzmodulierter Träger) ausgesendet wird, mit dem man die Dopplerverschiebung ermittelt. Das Gegenstück ist eine VHF-Frequenz, welche sich im GNSS (Global Navigation Satellite Systems) VHF Satellitenband zwischen 149.90-150.05 MHz befindet, wo die Zeit- und Positionsdaten des Satelliten in einem 23,9s langen Datenblock übertragen werden. Das Parus/Zikada-Satellitensystem nutze insgesamt fünf verschiedene Frequenzen im Abstand von 30 kHz im GNSS VHF Satellitenband. Dabei befindet sich der Abstand zwischen der VHF- und UHF Frequenz immer in einem Verhältnis von 3:8. Mit einer Bandbreite von ca. 15 kHz ist das Datensignal etwas breiter als üblich, wodurch der Empfang mit den meisten Funkscannern wegen einer zu schmalen Filterbandbreite nicht möglich war. Auf der frequenzmodulierten Trägerwelle befanden sich auf ±3 und ±5 kHz aufmodulierte Seitenbänder mit Daten in Pulscode Modulation und im NRZ (Non-Return-to-Zero) Kodierungsverfahren mit einer Datenübertragungsrate von nur 50 bit/s. Zusätzlich gab es auf ±7 kHz einen Zeitimpuls pro Sekunde.

Parus-Satellit auf 149.970MHz

Bereits 1980 wurde das Signal von den Mitgliedern der Kettering Group geknackt, welche diese Satelliten als SOVNAVS bezeichneten. Die Übertragung ist derart langsam, dass man es sogar mit Hilfe eines Spektrum-Programms manuell dekodieren kann. Der Zeitimpuls auf ±7 kHz markiert den Beginn eines 1 Sekunden langen binären 50-Bit-Datenblocks, in welchen jedes einzelne Bit ein Zeitfenster von 20 Millisekunde besitzt. Ein Sprung des Signals vom ±3 zum ±5 kHz Trägers oder umgekehrt bedeutet eine binäre Zahl 1. Bleibt der Sprung aus, stellt es immer eine binäre Zahl 0 dar. Die ersten 18 Bit des Datenblocks beinhalten steht's die Moskauer Uhrzeit. Nach einen Startbit folgen fünf Bits für die Stundeninformation. Danach kommen zweimal sechs Bits für die Minuten- und Sekundeninformation. Die restlichen Bits in dem Datenblock enthalten entweder die derzeitigen Positionsdaten des gerade empfangen Satelliten oder auch Bahnparameter aller anderen aktiven Satelliten. Ein vollständiger Datensatz benötigt für die Übertragung 2 Minuten.
Alan Cordwell hat auf seiner Russian Navigation Satellites Page (Web-Archiv.org) eine auf Java basierende Dekodiersoftware bereitgestellt, mit deren man eigene Aufzeichnungen eines Signals dekodieren lassen kann. Mit der Dekodiersoftware Sorcerer ist es aus dem Datensignal möglich, die Moskauer Uhrzeit zu dekodieren.

Liste aller militärischen "Parus" und zivilen "Zikada" Navigationssatelliten

Satellit: Kosmso-2407 NORAD Nr.: 28380 Downlink-Frequenzen: 149.970 MHz Navigationsdaten 399.920 MHz Tracking Beacon Status: Funktionsende
Satellit: Kosmos-2463 NORAD Nr.: 36519 Downlink-Frequenzen: 149.940 MHz Navigationsdaten 399.840 MHz Tracking Beacon Status: Funktionsende