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Das Dopplerprinzip in der Technik

Gase, die in einer Leitung fließen, enthalten auch kleine Teilchen anderer Stoffe. Durch die Wand des Rohrs wird Ultraschall gesandt, die Echos an bewegten Teilchen haben eine veränderte Frequenz. Aus der Frequenzverschiebung läßt sich die Geschwindigkeit berechnen.

Damit kann man Strömungen in sehr engen Rohren untersuchen oder Strömungen im Überschallbereich. Sogar Strömungen in Verbrennungsmotoren können gemessen und damit der Wirkungsgrad der Verbrennung verbessert werden.

Der erste künstliche Satellit, Sputnik I, wurde am 4. Oktober 1957 von der UdSSR gestartet. Wissenschafter der John Hopkins University, USA, verfolgten gespannt die Erdumkreisungen. Sie waren von der kräftigen Doppler-Frequenzverschiebung der ausgesandten Funksignale beeindruckt und entwickelten ein Verfahren, aus laufenden Messungen einer Empfangsstation die Umlaufbahn zu berechnen.

Daraus entstand dort die Idee, umgekehrt aus Dopplermessung eines Satelliten mit bekannter Bahn die Position eines Punktes auf der Erde zu berechnen.

1964 wurde für die Navy (Seestreitkräfte der USA) das TRANSIT- System eingeführt. Sechs Satelliten wurden in 1075 km Höhe in einer Umlaufbahn über die Pole der Erde gestartet. Sie senden auf einer Frequenz von knapp 440 MHz Zeitmarken und Daten über ihre Umlaufbahnen. Diese Daten werden zweimal am Tag von Bodenstationen aus korrigiert. Die Empfänger auf den Schiffen erreichen damit eine Meßgenauigkeit von + 100 m, was für die Navigation ausreicht.

Für genauere Messungen auf der Erde mißt man etwa zwei Tage ständig am gleichen Punkt. Der Fehler beträgt dann höchstens einige Meter. Rechnet man nachträglich alle empfangenen Daten noch einmal durch, wird die Genauigkeit besser als +1m !

Für die Geodäsie (die Erdvermessung) ist das noch immer zu ungenau. Das anschließend bis 1990 entwickelte NAVSTAR-Global-Positioning-System, kurz GPS genannt, verwendet 24 Satelliten in 6 Bahnen, die in 20.200 km Höhe in 12 Stunden die Erde umkreisen. Hochpräzise Atomuhren in den Satelliten und gleichmäßigere höhere Umlaufbahnen bringen verbesserte Genauigkeit.

Die bei GPS (sprich: dschi pi ess) erzielbare Genauigkeit der ständigen Ortsbestimmung von besser +/- 1,5 m wird vom Militär durch scheinbar zufällige Falschmeldung der Satellitenpositionen auf etwa + 150 m verschlechtert. Erst bei Langzeitmessung kann die volle Genauigkeit ausgenützt oder noch auf Zentimetergenauigkeit verfeinert werden.

GPS-Geräte können handlich, leicht und preiswert hergestellt werden und so bei allen Sportarten in freier Natur mitgeführt werden. Leider ist die Höhenangabe am wenigsten genau. Das Dopplerprinzip wird bei GPS nicht mehr verwendet, es wird durch Phasenmessung der von den Satelliten gesendeten Funkwellen ersetzt.

Satelliten, vor allem solche für die Navigation, müssen in eine genau berechnete Bahn gebracht und ihre Bahn ständig überwacht werden. Sie werden dabei mit einem Maser (Mikrowellenstrahler) oder Laser (Lichtstrahler) angepeilt und mit Hilfe des Dopplereffekts wird ihre Geschwindigkeit und Position genauestens vermessen.

Christian Doppler Forschungs- und Gedenkstätte
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