Galileo-Satellit

Multifrequenz-Beobachtungen
in der Astronomie
Wintersemester 2007/8
Themen & Daten
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
19.10.: Überblick
02.11.: Erste Ergebnisse der Durchmusterungen
16.11.: Hochenergie-Astronomie
30.11.: Update: Neue Teleskope
14.12.: Dunkles (Materie & Energie)
ƒ
ƒ 11.01: Fortsetzung: Dunkles (Materie & Energie)
ƒ 25.01.:Gravitationswellen & mehr
ƒ 08.02.:GPS & Galileo
1
GPS: Alles zum Thema
http://www.kowoma.de/gps/
2
3
Wo befinden wir uns auf der Welt??
4
GPS
global positioning system
Ist aber jedes weltweite, satellitengestützte Navigationssystem
Richtige Bezeichnung:
Satellitengestütztes Navigationsystem
Offizielle Bezeichung ist
“Navigational Satellite Timing and Ranging – Global Positioning System”
(NAVSTAR-GPS)
6
Ursprüngliche
Nutzung: rein militärisch
Jetzt starke zivile
Nutzung
7
Die primären Funktionen von GPS
¾
¾
¾
Positionen und Koordinaten.
Teil des US-Programms Nuclear Detection System (NDS), eingebunden in das
Verteidigungsprogramm DSP (Defense Support Porgram). Verfügen über
Sensoren für Infrarot- und Gammastrahlung und Detektroen für EMP:
Atombombenexplositonen und Starts von Interkontinentalraketen registrieren
Bereitstellung eines einheitlichen Zeitsystems: die Uhren der Satelliten werden
mehrmals täglich auf GPS-Zeit synchronisiert. In der Satellitennachricht ist auch
die Abweichung zwischen GPS-Zeit und Koordinierter Weltzeit (UTC) angegeben.
Mit der Genauigkeit der GPS-Zeit und der Angabe der Abweichung garantiert das
System eine Abweichung von UTC um maximal eine Mikrosekunde
GPS nutzt eine eigene kontinuierliche Atomzeitskala, welche keine
Schaltsekunden berücksichtigt. Seit Einführung von GPS im Jahr 1980 hat sich
deshalb die Differenz zw. GPS und UC auf mehr als 14 Sekunden aufsummiert.
Der aktuelle Wert der Differenz wird im Nutzdatensignal übertragen
What Time is it Anyway?
Universal Coordinated Time
Greenwich Mean Time
GPS Time - 13*
Zulu Time
Local Time: AM and PM (adjusted for local
time zone)
Military Time
(local time on a 24 hour clock)
* GPS Time is currently ahead of UTC by 13 seconds.
10
Bodenstationen senden
Bahninformation zur master station
Master station sendet korrigierte Informationen
zum Satelliten
Korrigierte und exakte Positionen sind Ephemeridendaten
Von den Almanach und Ephemeridendaten weiß der
GPS Empfänger den Satellitenort zu jeder Zeit
11
Drei GPS-Segmente
Weltraum
Segment
Benutzer
Segment
Kontroll
Segment
BodenAntennen
Master Station
Monitor Stations
GPS
Global Positioning System
Ein Sateliten-Netzwerk, welches kontinuierlich codierte Information
auf die Erde schickt. Anhand dieser Informationen läßt
sich präzise der Ort auf der Erde bestimmen –
13
durch Messung der Distanz zum Satelliten.
(Satelliten)
(Empfänger)
(Bodenstationen)
14
Weltraum Segment
15
Erster GPS-Satellit 1978
Konstellation von 24 Satelliten
Seit 1994; jeder Satellit soll 10 Jahre
Lebensdauer haben
Energiebetrieben durch
Solarenergie; sendet kontinuierlich
codiertes Radiosignal
16
17
GPS-Satelliten
GPS I
Von dieser Baureihe ist kein Satellit mehr aktiv.
GPS II/IIA
GPS IIR
Masse: 2032 kg
Dimensionen: 152 x 193 x 191 cm
Elektrische Leistung: 1,136 kW
Geschätzte Lebensdauer: Konstruiert für 6-7,5 Jahre, durchschnittliche tatsächliche
Einsatzdauer: 10 Jahre, längste Einsatzzeit: 16 Jahre.
Transponder: 2x L-Band, 1xS-Band
Kosten: 40 Mio USD
Hersteller: Lockheed Martin
Nutzlast: 2 Cs-Atomuhren, 2 Rb-Atomuhren
Verbreitung: 21 hergestellt, 13 gestartet, 12 sind im Einsatz, die restlichen werden zu GPS IIR-M umgerüstet.
GPS IIR-M
Start von Navstar 57 (andere Bezeichnungen: USA 183, GPS IIR-M1, GPS IIR-14M): 25. Sept. 2005
Weitere Starts: Navstar 58: 21. Okt. 2005; Navstar 59: 17. Nov. 2006[4]
Masse: 2060 kg
Elektrische Leistung:
Geschätzte Lebensdauer: 13 Jahre
Transponder:
Kosten: 60 Mio EUR
Hersteller: Lockheed Martin
Verbreitung: 7 hergestellt, 4 im Einsatz (Stand 12/2007)
Signal: L2C (zweites ziviles Signal auf L2); L2M (weiteres militärisches Signal, ab 2008).
Voraussichtlich L5-Testsignal ab 2008
Nutzlast: 3 Rb-Atomuhren; Sendeleistung regelbar.
GPS IIF
In Planung: zunächst 2002, nun (2007) 2009
Signal: L5 (drittes ziviles Signal)
Nutzlast: 2 Cs-Atomuhren, 1 Rb-Atomuhr;
GPS III
Start geplant für 2012-2014
18
Frühphase (Block I Satelliten)
•Zwischen 1978 und 1985: 11 Satelliten (Masse 845 kg)
•Wurden von Kalifornien aus gestartet; heute keiner mehr in
Betrieb
•Als Prototypen dienten der Erprobung des Systems
•Alle Signale waren für zivile Nutzer zugänglich
Block II Satelliten
•Wiegen über 1500 kg
•Ab 1989 von Cape Caneveral aus gestartet
•Spannweite von 5.1 m; für einen Betrieb von 7.5 Jahren ausgelegt
•9 Block II Satelliten und 18 Block IIA Satelliten bis Sept. 96
gestartet
Je zwei Rubidium und zwei Cäsium Atomuhren mit einer Uhrensta19
-13
bilität von 10 s
• Aus Grundfrequenz der Atomuhr (10,23 MHz) leiten sich alle
anderen benötigten Frequenzen ab
Block IIR Satelliten
•Replenishment – Auffrischung,
•Nur noch das C/A-Signal (Coarse / Acquisition) ist für die zivile
Anwendung zugänglich
Block IIR-M Satelliten
•Eine zweite Frequenz für die zivile Nutzung (L2C)
•Neues militärisches Signal (L1M, L2M)
•2 Tonnen Gewicht, Kosten: 75 Mio Dollar
•Erste beiden Satelliten gingen verloren (Fehlfunktion der Delta II
Rakete)
20
Zusätzliche Funktion der Block II-Satelliten: Sensoren, die
Atomexplosionen detektieren
Start eines Block II Satelliten kostet 50 Mio Dollar
Nächste Generation: Block IIF-Satelliten
•Soll über dritte Frequenz für die zivile Nutzung verfügen (L5);
Größere Genauigkeit bei Positionsbestimmung
•Statt Rubidium- bzw. Cäsium-Atomuhren Wasserstoffmaser
Abstrahlungsleistung: 50 Watt (Fernsehsatelliten strahlen mit 100
Watt)
Aktuell werden 60 Tage für das Austauschen eines Satelliten
benötigt, aus Kostengründen soll dieser Zeitraum auf 10 Tage
21
gesenkt werden
Befinden sich 20 200 km
oberhalb der Erdoberfläche = medium
earth orbit; geostationäre befinden
sich in 42300 km Höhe
Bewegen sich mit 3.9 km/s; einmal
um die Erde in 11 Stunden 58 min; jeden
Tag 4 min früher über der gleichen Position
Bahnen befinden sich in 6 Ebenen; Inklination
der Ebene:55 Grad; die Ebenen sind in der
Äquatorebene um jeweils 60 Grad
gegeneinander versetzt; vermeidet, daß
sich überdurchschnittlich viele Satelliten
über den Polen befinden
Im Orbit so angeordnet, daß
4 Satelliten gleichzeitig einen Ort
abdecken
22
Kontroll Segment
26
Bodengebundene Kontroll-Stationen verfolgen die
GPS-Satelliten und versorgen sie mit korrigierten Bahnund Zeitinformationen
Vier unbemannte und eine
bemannte Haupt-Kontroll-Station
27
Control Segment
US Space Command
Cape Canaveral
Hawaii
Kwajalein Atoll
Diego Garcia
Ascension
Is.
Master Control Station
Monitor Station
Ground Antenna
•Kontrolle über das GPS-System liegt vollständig in der Hand
der US-Armee.
•Seit Sept. 2005 6 weitere Monitorstationen hinzugefügt:
Jeder Satellit kann rund um die Uhr von mindestens zwei
Monitorstationen empfangen werden
•Zukunft: weitere 5 weitere Stationen
•Passive Monitorstationen: GPS Empfänger, die Satellitensignale
sammeln; senden Rohadaten an die “Master Control Station” zur
Weiterverarbeitung
Master Control Station: in der Schriever Air Force Base; Daten der
Monitorstationen werden 24 Stunden am Tag in Echtzeit
Ausgewertet und daraus Informationen über die Uhren und Bahnen
der Satelliten gewonnen -> daraus neue Ephemeridendaten
berechnet
Ein- zweimal pro Tag werden die Daten zusammen mit anderen
Kommandos über Sendeantennen der Stationen Ascension Islands,
Diego Garcia oder Kwajalein über ein S-Band Signal (2000 – 4000 MHz)
an die Satelliten zurückgesandt
29
•Satelliten des Block IIR sind in der Lage, Signale mit anderen GPS-Satelliten
auszutauschen und können dadurch ihre Bahndaten selbst korrigieren; bräuchten
theoretisch nur alle 180 Tage Verbindung mit der Bodenstation
30
Space Segment
Bodenstationen
beobachten
und updaten
die Satelliten-Orte
Die “upgedateten” Daten
Werden an den Benutzer
weitergegeben
31
Positionsbestimmung
•
Jeder Satellit sendet Nachricht: Ich bin Satellit Nr. X, meine Position ist
gerade Y und diese Nachricht wurde zum Zeitpunkt Z versandt. Zusätzlich
Information über seine Umlaufbahn. Diese Daten (Ephemeriden- und
Almanachdaten) werden vom GPS-Empfänger gespeichert und für spätere
Rechnungen verwendet.
•
Zur Positionsbestimmung vergleicht der GPS-Empfänger die Zeit, zu der
das Signal ausgesandt wurde mit der Zeit zu der das Signal empfangen
wurde. Aus Trilateration (Entfernungsmessung von 3 Punkten aus) kann
der GPS Empfänger seine Position auf der Erdoberfläche bestimmen. „2D
position fix“
•
„3D position fix“ mittels 4 oder mehr Satelliten und damit dann auch die
absolute Position im Raum oder die Höhe über der Erdoberfläche
•
Durch ständige Neuberechnung der aktuellen Position kann der GPSEmpfänger auch die Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung bestimmen
33
34
35
36
Three Dimensional (3D) Positioning
Signalübermittlung
38
• Anforderung an die Signale:
– Ein-Weg (passive) Positionsbestimmung
– Genaue Entfernungs- und Geschwindigkeitsbestimmung (DopplerEffekt)
– Aussenden einer Navigations-Nachricht
– Simultane Erfassung mehrerer Satellitensignale
– Bereitstellung von Korrekturen für die ionosphärische Verzögerung
der Signale und Störungsunempfindlichkeit gegenüber Interferenzen
und Mehrwegeffekte
• Bedingung für die Auswahl:
– Frequenz sollte unter 2 GHz liegen; sonst Einsatz von
Richtantennen erforderlich
– Ionosphärische Verzögerungen sollten minimiert werden
– Je tiefer die Frequenz, desto größer die Änderung der
Ausbreitungsgeschwindigkeit in Medien (Luft)
– PRN-Codes benötigen große Bandbreite für die Code-Modulierung
auf die Trägerfrequenz -> entsprechender Bereich hoher Frequenz
mit Möglichkeit zu großer Bandbreite notwendig
– Frequenz sollte nicht durch Wetterphänomene beeinflussbar sein
39
Jeder Satellit sendet Radiosignale
geringer Leistung auf mehreren
Frequenzen (L1, L2)
L1: 1575.42 MHz
L2: 1227.60 MHz
Zivile GPS Empfänger hören
die L1 Frequenz
L1 trägt die Navigationsdaten und
den SPS-Code (standard positioning
Code)
L2 nur den P-Code und wird nur von
Empfängern die für den PPS
(precision positioning code) vorgesehen
sind (Zweifrequenz-Geräte, militärisch)
verwendet
Das Signal geht durch Wolken oder Glass, aber nicht durch
feste Körper
40
41
• Codemultiplexverfahren:
– Ein Multiplexverfahren, das Daten gleichzeitig auf
einem gemeinsamen Frequenzbereich überträgt
– Ein Datenbit wird in eine dem Sender zugewiesene
Bitfolge, den Spreizcode übersetzt. Zur Übertragung
des Bitwerts 0 wird der Spreizcode selbst, für den
Bitwert 1 der inverse Spreizcode übertragen. Die
Signale unterschiedlicher Sender, die auf der gleichen
Frequenz ausstrahlen, unterscheiden sich im
Spreizcode. Die Bits des Spreizcodes nennt man
Chips.
– Der Empfänger filtert das Signal eines bestimmten
Senders aus dem Signalgemisch heraus, indem er die
Korrelation zwischen dem ihm bekannten Codemuster
des Senders und dem Signalgemisch berechnet.
– Um eine gegenseitige Beeinflussung der Signale der
unterschiedlichen Sender zu verringern, werden
Codemuster ausgewählt, die unabhängig voneinader
sind (orthogonal)
42
• Trägerphasen werden durch 3
unterschiedliche Binärcodes
moduliert
– C/A code, ein 1023 „chip“ langer
Code, der mit einer Frequenz von
1,023 MHz übertragen wird (chip
ähnlich bit); wiederholt sich nach
jeweils 1023 bit oder einer
Millisekunde
L1 enthält zwei Pseudo-zufällige Signale – sehen wie zufällig
aus, sind jedoch für jeden Satelliten eindeutig festgelegt.
Den geschützten P- code und
den Coarse/Acquisition code (C/A)
(grobe Bestimmung)
Jeder Satellit emittiert einen einzigartigen code.
Diese codierten Signale werden genutzt um die
Laufzeit zwischen Satellit und GPS-Empfänger zu
berechnen
43
•
•
•
•
Satelliten werden vom Empfänger über PRNNummern identifiziert; echte GPS-Satelliten
erhalten Nummern von 1-32, sind auf der
Satellitenanzeigenseite des GPS-Empfängers
wiederzufinden; PRN-Codes nur scheinbar
zufällig; 37 geeignete Codes werden als
GOLD-Codes bezeichnet (Mathematiker);
Korrelation untereinander besonders
schwach, wodurch eine eindeutige
Identifikation möglich ist. Code ist dem
Empfänger bekannt
P-Code (precise) moduliert die L1- als auch
die L2 Trägerfrequenz und ist ein sehr langer
10,23 MHz Pseudozufallscode (7 Tage
werden verwendet, der Code selbst wäre aber
266 Tage lang)
Wird nur verschlüsselt übertragen
Im GPS-System werden die Daten durch
Phasenmodulation auf das Trägersignal
aufmoduliert
44
•
jeder Satellit sendet Pseudozufallscode (PRN) aus, der dem Empfänger
bekannt ist, der Empfänger kann den gespeicherten PRN mit dem
empfangenen Code vergleichen
45
46
•
•
•
Durch Verschieben läßt sich die Zeit und damit die Signallaufzeit
bestimmen und damit die Entfernung zum Satelliten
Verschieben über Kreuzkorrelation
Moderne GPS-Empfänger können die Signalverschiebung auf bis zu 1%
eines chips bestimmen, wodurch die Entfernung zum Satelliten im
Idealfall auf 3m genau berechnet werden kann
47
Satellit und Empfänger erzeugen den Code
Empfänger vergleicht beide Codes um zu
bestimmen, um welche Verzögerung es verschoben
werden muß um den Code
mit dem Satellitencode in Übereinstimmung zu bringen
48
•
•
Bei der Phasenmodulation wird bei Änderung des Datensignals die
Sinusschwingung des Trägersignals abgebrochen und mit einer
Phasenverschiebung von 180 Grad wieder aufgenommen - > das Trägersignal
kommt aus dem Tritt
Phasenmodulation führt zu einer Verbreiterung des Frequenzbereichs des
Trägersignals
49
•
•
•
Zusätzlich zum C/A-Code wird mit 50 bit/s die Navigationsnachricht in das L1Signal mit hineinmoduliert: ein 50 Hz Signal und enthält Daten wie die
Satellitenbahn, Uhrenkorrekturen und weitere Systemparameter; werden
ständig von jedem Satelliten übermittelt und daraus erhält der GPS-Empfänger
sein Datum, die ungefähre Uhrzeit und die Position des Satelliten
Das vollständige Datensignal besteht aus 37500 bit und dauert 12.5 Minuten.
Diese Zeit benötigt ein GPS-Empfänger bis zur ersten Positionsbestimmung
wenn er noch keine Daten über die Satelliten gespeichert hat oder diese
veraltet sind
Das Datensignal ist in 25 Blöcke unterteilt, die jeweils 1500 bit lang sind und 30
Sekunden zur Übertragung brauchen
50
•
Die Blöcke sind wieder in Teilblöcke (subframes) unterteilt (300 bit; 6 sec), welche
wiederum in je 10 Worte untergliedert sind (30 bit, 0.6 sec)
•
Das erste Wort jedes Teilblocks ist das TLM (telemetry word), Informationen zur
Aktualität der Ephemeridendaten
•
Danach: HOW (hand over word), enthält die Anzahl der gezählten Z-Epochen;
enthält die Zeit seit dem letzten „Neustart“ der GPS-Zeit vom jeweils vorherigen
Sonntag 0 Uhr. Da das Signal des P-Codes eine Woche lang ist, dient dieses
HOW militärischen Empfängern dazu, den „Einstieg“ in den P-Code zu finden
•
Restliche Daten: enthalten Genauigkeit des sendenden Satelliten sowie
Uhrenkorrekturwerte; zweiter und dritter Teilblock enthalten
Ephemeridenparameter
•
Teilblöcke 4 und 5: Almanachdaten (Bahnparameter aller Satelliten, technischer
Zustand, momentane Konfiguration, Identifikationsnummer etc.)
Teilblock 4 hat für die Satelliten 25-31 Ionosphärenkorrekturdaten, spezielle
Nachrichten sowie UTC Zeitinformationen
Teilblock 5 hat die Almanachdaten für die Satelliten 1-24 sowie Zeit und GPSWochennummer
Die ersten 3 Teilblöcke sind bei allen 25 Blöcken gleich, womit alle 30 Sekunden
die wichtigsten Daten zur Positionsbestimmung übermittelt werden
Aus den Almanachdaten kann der Empfänger erkennen, welche Satelliten an der
momentanen Position zu erwarten sind und beschränkt seine Suche auf diese
51
•
•
•
•
EPHEMERIS FOR SATELLITE 2 :
PRN number for data .................. 2
Issue of ephemeris data .............. 224
Semi-Major Axis (meters) ............. 2.65603E+07
C(ic) (rad) .......................... 1.88127E-07
C(is) (rad) .......................... -1.00583E-07
C(rc) (meters) ....................... 321.656
C(rs) (meters) ....................... 87.6875
C(uc) (rad) .......................... 4.36418E-06
C(us) (rad) .......................... 2.70829E-06
Mean motion difference (rad/sec) ..... 5.04521E-09
Eccentricity (dimensionless) ......... 0.0139305
Rate of inclination angle (rad/sec) .. 4.11089E-10
Inclination angle @ ref. time (rad) .. 0.950462
Mean Anomaly at reference time (rad) . -2.62555
Corrected Mean Motion (rad/sec) ...... 0.000145859
Computed Mean Motion (rad/sec) ....... 0.000145854
Argument of perigee (rad) ............ -2.56865
Rate of right ascension (rad/sec) .... -8.43857E-09
Computed Mean Motion (rad/sec) ....... 0.000145854
Argument of perigee (rad) ............ -2.56865
Rate of right ascension (rad/sec) .... -8.43857E-09
Right ascension @ ref time (rad) ..... 1.75048
Sqrt (1 - e^2) ....................... 0.999903
Sqr root semi-major axis, (m^1/2) .... 5153.67
55
Fehlerquellen
56
Messungen von 4+ Satelliten
Entfernung = Laufzeit x Lichtgeschwindigkeit
57
Fehlerquellen
1. Atmosphärische Interferenz
Signal wird langsamer auf dem Weg durch die Atmosphäre
Ionosphäre
Troposphäre
Modell zur Korrektur notwendig
58
Quellen der Signal Interferenz
Earth’s Atmosphere
Solid Structures
Metal
Electro-magnetic Fields
2. Mehrweg-Fehler
Multipath dasselbe Radiosignal wird mehrfach empfangen
durch Zurücklegen unterschiedlicher Wege.
z.Bsp. direkt vom Satelliten oder durch Reflexion an einem
Gebäude: erreicht den Empfänger später.
60
3. Zeitfehler
Die interne Satelliten-Uhr und die Empfänger-Uhr haben
limitierte Genauigkeit und sind nicht präzise
synchronisiert. Genaue Positionsbestimmungen sind
hochgradig von der exakten Zeit-Information abhängig und
geringe Zeitungenauigkeiten können signifikante Fehler
in der Positionsbestimmung bedeuten (bis auf 20-30
Nanosekunden Genauigkeit erforderlich).
61
3a. Relativistische Effekte
Die Uhren der Satelliten gehen (aufgrund der Bewegung
der Satelliten) – von der Erde aus gesehen –
langsamer: Zeitfehler von 7.2 Mikrosekunden pro Tag
Aufgrund des starken Gravitationsfeldes: Uhr des Satelliten
scheint für den Beobachter auf der Erde zu schnell zu laufen:
Effekt 6x so groß wie die durch die Geschwindigkeit
hervorgerufene Zeitdilatation
Gesamtfehler von ca. 38 Mikrosekunden, oder 10 km pro Tag.
Lösung: Uhren sind auf 10.229999995453 statt auf 10.23 MHz
Eingestellt, tun aber so, als hätten sie 10.23 MHz.
62
4. Ephemeriden Fehler (Bahnfehler)
Ungenauigkeiten in den übermittelten
Satellitenpositionen
63
5. Satelliten Konfiguration
Die Konfiguration der Satelliten bezüglich eines
Speziellen Empfängers kann die Genauigkeit der PositionsBestimmung beeinträchtigen. z.Bsp. Wenn alle
sichtbaren Satelliten “klumpen”, die triangulierte Position
wird ungenauer sein als wenn alle Satelliten gleichmäßig
über den sichtbaren Himmel verteilt wären.
64
GPS Satelliten Geometrie
Die Satelliten Geometrie kann die Qualität des GPS Signals und die
Genauigkeit der Empfänger Triangulation verschlechtern Die “Güte” der
Satellitengeometrie (Dilution of Precision, DOP) reflektiert die Position jedes
Satelliten relativ zu den anderen, die von dem Empfänger gesehen werden.
5 Arten von DOP:
GDOP Geometrische Störung (Bahnanomalien; Gesamtgenauigkeit; 3DKoordinaten und Zeit)
VDOP Vertikale Störung (Vertikalgenauigkeit; Höhe))
HDOP Horizontale Störung (Horizontalgenauigkeit; 2D-Koordinaten)
TDOP Zeit-Störung (Zeitgenauigkeit; Zeit))
PDOP Positions-Störung (Positionsgenauigkeit; 3D-Koordinaten)
HDOP unter 4 sehr gut, über 8 schlecht. Die Satellitengeometrie verursacht
keinen Fehler in der Positionsbestimmung, der mit Meterangaben fassbar
ist. Vielmehr vervielfachen die DOP-Werte die anderen Fehler
Moderne GPS-Empfänger können schlechte Daten ausfiltern
Ideale Satelliten Geometrie
N
E
W
S
Gute Satelliten Geometrie
Schlechte Satelliten Geometrie
N
W
E
S
Schlechte Satelliten Geometrie
6. Selektive Verfügbarkeit
70
•
Der größte Fehler bei der Positionsgenauigkeit besteht seit 2.5.2000
5:05 Uhr (MEZ) nicht mehr: selective availability (SA) wurde
abgeschaltet; eine künstliche Verfälschung der vom Satelliten
übermittelten Uhrzeit im L1-Signal -> ungenauere Position für zivile
Nutzer
•
Schwankungen um 50 m während weniger Minuten; außerdem wurden
die Ephemeridendaten ungenauer übertragen (Ungenauigkeit um 50 bis
150 mit Periodendauern von mehreren Stunden)
•
Grund für die SA: Terroristen es unmöglich machen, kritische
Einrichtungen der USA mit selbst gebauten Fernlenkwaffen zu treffen
•
•
Mit SA: Positionsgenauigkeit ca. 100 m
Ohne SA: ca. 20 m, in Realität deutlich besser
•
Systeme für die Landvermessung: cm-Bereich
•
SA kann durch das Pentagon jederzeit wieder reaktiviert werden
71
GPS Fehlerquellen
Standard Positioning Service (SPS ): Zivile Nutzer
Quelle
Fehler-Ausmaß
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
Satelliten-Uhr:
Bahnfehler:
Ionosphäre:
Troposphäre:
Empfänger-Rauschen:
Mehrweg:
Selektive Verfügbarkeit
Benutzer Fehler:
1.5 to 3.6 m
<1m
5.0 to 7.0 m
0.5 to 0.7 m
0.3 to 1.5 m
0.6 to 1.2 m
()
bis zu 1km oder mehr
Fehler sind kummulativ und werden vergrößert durch
PDOP.
Differentielles GPS
Differentielles GPS (DGPS)
•
Genauigkeiten von 5 bis manchmal unter 1 m können mit dieser
Technik erreicht werden. Ein zweiter stationärer GPS Empfänger wird
zur Korrektur der Messung des ersten eingesetzt. Ein Korrektursignal
wird vom mobilen GPS Empfänger ausgewertet. Zusätzlicher
Langwellensender (283.5-325.0 kHz) notwendig, überträgt die
Korrekturdaten in einem seriellen Datenformat (RTCM SC-104);
Küstenregionen; Küstenwache
74
Differentielles GPS in Aktion
1. Vergleicht Felddaten mit Daten die
zur gleichen Zeit von einer nahen Bodenstation
gesammelt wurden
2. Fehler an der Bodenstation ist
bekannt und wird von den Felddaten subtrahiert
75
Bekannter Ort der Basisstation
Daten korrigiert im Büro
Unbekannte Feld-Position
76
Real Time Differential GPS
x+5, y-3
x+30, y+60
x-5, y+3
Receiver
DGPS Receiver
DGPS correction = x+(30-5) and
y+(60+3)
DGPS Site
True coordinates =
x+0, y+0
True coordinates = x+25, y+63
Correction = x-5, y+3
USCG NDGPS Ground Stations
National Differential Global Positioning System
Yellow areas show overlap between NDGPS stations. Green areas are
little to no coverage. Topography may also limit some areas of coverage
depicted here.
USCG NDGPS Ground Stations
National Differential Global Positioning System
Yellow areas show overlap between NDGPS stations. Green areas are little to no coverage.
Topography may also limit some areas of coverage depicted here.
GPS Fehler Budget
Typische Fehler in Meter (pro Satellit)
Satelliten Uhr
Bahnfehler
Ionosphäre
Troposhpäre
Empfänger-Rauschen
Multipath
Selektive Verfügbarkeit*
Standard GPS Differentielles GPS
1.5
0.0
2.5
0.0
5.0
0.4
0.5
0.2
0.3
0.3
0.6
0.6
30
0.0
Typische Positions Ungenauigkeit
Horizontal
Vertikal
3-D
50
78
93
* Nicht mehr benutzt
1.3
2.0
2.8
80
WAAS
WAAS: Wide Area Augmentation System
Seit 1999 in den USA in Betrieb, seit 2001 auch für tragbare GPS-Systeme
verfügbar: weiträumiges Erweiterungssystem
25 Bodenstationen überwachen die GPS-Signale, zwei Referenzstationen an
den beiden Küsten der USA, die die Daten der Bodenstationen sammeln
und die Korrekturdaten ermitteln (Satellitenumlaufbahnen, Uhrendrift,
Signalverzögerungen durch Ionos- und Tropossphäre); die Daten werden
über einen von zwei geostationären Satelliten an die Empfänger übermittelt
Für die amerikanische Luftfahrtbehörde FAA für hohe Genauigkeit bei
Landeanflügen entwickelt
Für zivile Nutzung zugänglich; nur Software im Empfänger notwendig;
abhängig von Sichtbarkeit des geostationären Satelliten
Europäisches Äquivalent: EGNOS (Euro Geostationary Overlay Service); im
asiatischen Raum: MSAS; gleiches Prinzip und miteinander kompatibel!!
Genauigkeit mit DGPS: 3-5 m
Genauigkeit mit WAAS / EGNOS: 1-3 m
Wide Area Augmentation System
Geostationary
WAAS satellites
WAAS Control
Station (West Coast)
GPS Constellation
Local Area System (LAAS)
WAAS Control
Station (East
Coast)
Benutzer Segment
Gerätetypen
• Autonavigation (Carnavigation)
• Outdoornavigation für Wanderer, Radler,
Motoradfahrer, Kanuten, Segler,Flugsport
85
86
•GPS-Empfänger lassen sich mittlerweile
in eine Armbanduhr integrieren
•Alle Gerät haben heute mindestens 12
Kanäle, können die Daten von bis zu 12
Satelliten gleichzeitig verarbeiten und
auswerten
87
In der Praxis
Positionsbestimmung
Eine Position basiert auf einer Realzeit SatellitenMessung.
Wird bestimmt durch eine Anzahl von Koordinaten.
Eine Position stellt nur eine Annäherung an den wahren
Ort des Empfängers dar.
Eine Position ist nicht statisch. Sie ändert sich ständig
wenn sich der Empgänger bewegt.
Ein Empfänger muß im 2D oder 3D Modus sein
(mindestens 3 oder 4 Satelliten benötigt) um die
Position festzulegen.
3D Modus verbessert die Positionsgenauigkeit
dramatisch
Wegpunkt
Ein Wegpunkt basiert auf den Koordinaten, die in den
GPS-Empfänger eingegeben wurden, entweder eine
gespeicherte Position oder eingegebene Koordinaten.
Jeder noch so entlegene Ort auf der Erde kann so
identifiziert werden.
Einmal eingegeben, verbleibt er im Speicher bis er
geändert oder gelöscht wird.
Eine Navigationsroute planen
Start
= Wegpunkte
Wie ein Empfänger die Route “sieht”
Blaue Kreise: Fehlerkreis des
GPS an jedem Wegpunkt
Gelbe Sterne: wo ich
gehen möchte.
Grüne Sterne: wo der GPS
Empfänger mich hinführen
will.
GPS Navigation Terminology
Active GOTO
Waypoint
Be
ay
p
W
to
g
n
i
ar
)
e
N
(CMG) (xº)
(00)
0
(X
nc
A
ct iv
eg
L
e
E
XT
Di
st
a
Desired Track
(DTK) (xº)
oi
nt
N (0000)
(CD
er )
v
O OG
ed d (S
e
Sp oun
Gr
I)
Tracking (TRK) (xº)
Course Made Good (CMG)
Active
From
Waypoint
Present
Location
GPS Navigation: Auf der Erde
N
Peilung = 650
COG = 50
XTE = 1/2 mi.
Active GOTO
Wegpunkt
Peilung = 780
COG = 3500
XTE = 1/3 mi.
e
v
i
t
c
A
g
e
L
Peilung = 400
COG = 1040
XTE = 1/4 mi.
Location Where GOTO
Was Executed
Course Over Ground (COG) =
Peilung =
Versetzung (XTE) =
• Wie GPS ein globales
Satellitennavigationssystem
• Gleiches Prinzip, soll mit GPS
kompatibel sein
• Wird aber nicht vom Militär sondern von
zivilen Stellen betrieben werden
• Sicher ist: die bisher erhältlichen
GPS-Empfänger werden nicht
Galileo-kompatibel sein
• ESA, European Commission (EC),
European Organisation for the Safety of
Air Navigation (Eurocontrol)
• Verfügbarkeit von jederzeit 15 Satelliten
(durch Kompatibilität mit GPS)
• 30 Satelliten (27 + 3 Ersatz) in einer
Höhe von 23 260 km
96
• Probebetrieb der ersten 4 GalileoS t llit
i ht
2008
h b !!
•
Dienste geplant:
– Allgemeiner Dienst (Open Service; OS), vergleichbar
in Genauigkeit zu GPS, 4m
– Sicherer Dienst (Safety-of-Life Service, SoL)
überlebenswichtige Aufgaben, Flugverkehr,
rechtzeitige Warnungen (wenige Sekunden) im Falle
von Genauigkeitseinschränkungen oder Ausfall von
Satelliten; garantierte Verfügbarkeit
– Kommerzieller Dienst (Commercial service; CS) zwei
zusätzliche Signale (verschlüsselt), die die
Genauigkeit erhöhen; 10 cm
– Regulierter Dienst (Public Regulated Service; PRS)
Polizei, Küstenwache, Geheimdienst, Militär;
besonders hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit
– Such- und Rettungsservice (Search and Rescue;
SAR) weltweite Such- und Rettungsmassnahmen; zu
jeder Zeit mindestens ein Galileo-Satellit in der Lage
sein Notsender von Schiffen, Personen, etc. zu
97
empfangen
GIOVE-A seit 2 Jahren im All
98
•Giove-A1 – Erster Test-Satellit
Bezeichnung:
„Giove-A“ (ital. „Jupiter“ bzw. „Galileo In-Orbit Validation Element“);
Bezeichnung vor dem Start: „GSTB-v2 A“ („Galileo System Test Bed“)
Nutzlast:
Signalgenerator, Rubidium-Atomuhren
Hersteller:
Surrey Satellite Technology
Startmasse:
600 kg
Leistung:
700 W
Größe:
1,3 m × 1,8 m × 1,65 m
Gestartet:
28. Dezember 2005 6:19 Uhr MEZ
ID:
COSPAR/WWAS Int Id: 2005-051A
ID:
USStratCom Cat #: 28922
Träger:
Sojus-FG/Fregat
99
•Giove-B – Zweiter Test-Satellit
Bezeichnung:
„Giove-B“; bisherige Bezeichnung: „GSTB-v2 B“
Nutzlast:
Signalgenerator, Rubidium- und Wasserstoffmaser-Atomuhren
Hersteller:
EADS Astrium
Startmasse:
523 kg
Leistung:
943 W
Größe:
0,955 m × 0,955 m × 2,4 m
Starttermin:
März 2008[16]
Träger:
voraussichtlich Sojus-Fregat
100
•Giove-A2 – Dritter Test-Satellit
Konstruktionsgleich zu Giove-A1. Entscheidung über den Bau Ende 2007,
wenn Klarheit über den Start von Giove-B besteht.
•Galileo-Satellit (zum Vergleich)
Hersteller:
voraussichtlich European Satellite Navigation Industries
Startmasse:
680 kg
Leistung:
1,5 kW (nach 12 Jahren)
Größe:
2,7 m × 1,2 m × 1,1 m
Starttermin:
nicht vor 2008
Träger:
Ariane 5, Sojus-Fregat
Lebensdauer:
über 12 Jahre
Spannweite
Solarpanels:
14,8 m
101
•
Wer das globale Positionierungssystem kontrolliert, hat sich einen
entscheidenden taktischen Vorteil gegenüber allen (eventuellen)
Widersachern gesichert ….
•
Zentraler Punkt: Störung beider Satellitensysteme durch deckungsgleiche
Signale. Die europäischen Signale für den Public Regulated Service (PRS)
hätten sich mit dem M-Code (Militär) des GPS überschnitten. Galileo soll
jetzt eigenes Frequenzband nutzen, das sich nicht mit den US-Signalen
deckt. Beidseitige Nutzung wird über gleiches Grundsignal garantiert
102
•
•
Zitate aus den Medien:
Probleme mit der Politik der USA – Galileo wird abhängig von den USA:
Abkommen zur gemeinsamen Nutzung der jeweiligen satellitengestützten
Navigations- und Ortungssysteme unterzeichnet. Galileo wird auf einer
Frequenz arbeiten, die für amerikanische Militärs jederzeit leicht
beeinflussbar ist. Ohne Europa zu konsultieren, werden amerikanische
Streitkräfte Galileo in Krisen- und Konfliktfällen abschalten können.
Außerdem soll das zivile Signal möglicherweise abgeschwächt und
qualitativ verschlechtert werden
•
Probleme mit Industrie: Hausaufgaben nicht gemacht; 8 beteiligte Firmen
sind dem Abkommen von 2005 nicht nachgekommen (Bau und Betrieb
von 26 Satelliten) ; stärkere Absicherung der Risiken von Industrie
gefordert
EU Kommission erwartet einen volkswirtschaftlichen Gewinn von 74
Milliarden Euro bis 2020
Verzögerung auf 2012
103
•
•
Weiter geht‘s im April …..