Galileo-Satellit
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Galileo-Satellit
Multifrequenz-Beobachtungen in der Astronomie Wintersemester 2007/8 Themen & Daten 19.10.: Überblick 02.11.: Erste Ergebnisse der Durchmusterungen 16.11.: Hochenergie-Astronomie 30.11.: Update: Neue Teleskope 14.12.: Dunkles (Materie & Energie) 11.01: Fortsetzung: Dunkles (Materie & Energie) 25.01.:Gravitationswellen & mehr 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 …..