Benutzer:WonderBlood/Studium/GNSS/Einführung
Was ist GPS
Vorteile und Nachteile
- Empfänger beliebig und von Jedermann einsetzbar
- militärische Einschränkungen möglich (absichtliche Verschlechterung der Nutzsignale, Verschlüsselung der Codes)
Aufbau
- Raumsegment (Satelliten)
- Kontrollsegment (Bodenstation)
- Nutzersegment (GPS-Empfänger)
Erläuterungen siehe GPS Systemkomponenten
Funktionsweise GNSS
GNSS-Positionsbestimmung
- Mittels Distanzmessung (Laufzeitmessung) zu >= 4 Satelliten, siehe Entfernungsmesstechnik
- Berechnung der 3D-Position X,Y,Z und der Zeit T (Uhrkorrektur des Empfängers)
GNSS-Navigation
- Kontinuierliche Messung der Position im Sekunden-Takt
- 1 (Mess-) Epoche = 1 (Mess-) Zeitpunkt
- Differenz = Ist-Kurs und Geschwindikeit
- Aus Standpunktkoordinaten + Zielpunktkoorinaten → Soll-Kurs und Kurskorrektur
GPS Systemkomponenten
Raumsegment
- Funkfrequenzen L1, L2, siehe GPS-Signalstruktur
- globale Uhrzeit (Atomuhren)
- Satellitenbahnparameter, siehe Satellitenbahn
- Zusätzliche Informationen, siehe GPS-Signalstruktur
- vgl. Raumsegment
| Parameter | GPS | GLONASS |
|---|---|---|
| Anz. Satelliten | 24 + Reserve | 24 (geplant) |
| Bahnebenen | 6 à 4 Satelliten | 3 à 8 Satelliten |
| Versatz um Längengrade | 60° | 120° |
| Inklination | 55° (ohne Pole) | 64.8° (mit Pole) |
| Höhe über Grund | 20'200 km | 19'130 km |
| Bahnellipse ca. | 26'560 km | 24'510 km |
| Umlaufzeit | 11h 58m | 11h 16m |
| Umlaufzeit in Sternentagen | 1/2 | 8/17 |
Kontrollsegment
- Beobachtungsstationen
- Überwachung des Satellitenzustands
- Synchronisation der Uhren
- Ephemeriden (Bahndaten) voraus berechnen und hochsenden (S-Band)
Für militärische Monitorstationen siehe Kontrollsegment, zivile Kontrollsegmente (passiv) stellen die Integrität und Güte des Systems (permanente Genauigkeitsüberwachungen) unabhängig sicher. Die dabei vernetzten Tracker-Stationen stellen hochgenaue Bahndaten für Postprocessing-Anwendung zur Verfügung, solche Institutionen sind z.B.
- IGS (Internation GPS Service)
- CODE (Center of Orbit Determination in Europe) - eine Interessensgemeinschaft zwischen Astronomischem Institut Uni Bern, swisstopo, Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (Deutschland) und Institut Geographique National (Frankreich)
Nutzersegment
- (passiver) Empfang extrem schwachen Signale
- Empfang von Korrektursignalen von zusätzlichen Sendern möglich
- Entschlüsseln von zivilen Codes und Messung der Signallaufzeit
- Statusangaben (Satellit, System) empfangen, Vorhersagen
- Phasen- und Dopplerverschiebung des Trägersignals messen
- hochgenau aktuelle Zeit bestimmen
- 3D-Koordinaten (im Sekunden-Takt) mit Genauigkeit berechnen
- 3D-Geschwindigkeit berechnen
- Übertragung der Daten für Postprocessing-Anwendungen, Online-Postprocessing
GPS-Satellit
Ausstattung
Sender (L-Band)
- L1, C/A-Code, f = 1575.42 MHz, λ = 19.0 cm, 480 W
- L1, P-Code, f = 1575.42 MHz, λ = 19.0 cm, 240 W
- L2, P-Code, f = 1227.60 MHz, λ = 24.4 cm, 81 W
Empfänger (Uplink, S-Band)
- 1783.74 MHz (up), 2227.5 MHz (down)
Stromversorgung
- 7.25m² Solargeneratoren
- NiCd Akku
Frequenzstandard
Gewicht
- 1660 - 2032 kg
Sonstige Ausstattung
- Empfänger für Daten von Bodenstationen
- Code-Generatoren für P- und C/A Code
- Antriebe für Lage- und Bahnkorrekturen
- Speicher für Bahndaten
- 4 Atomuhren (2 Rb, 2 Cs)
- Sender für L1 und L2
Satellitenbahn
- Die Bahnkuve ist eine Ellipse mit a = 26'560 km und e < 0.01.
- vgl. Inertialsystem, Perigäum (Erdnähe), Apogäum (Erdferne)
- Geschwindigkeit des Satellits: ca. 4 km/s
- e = lineare Exzentrizität
- λ = Position des Satelliten auf auf der Ellipse (wahre Anomalie)
- Geschwindigkeit ca. 4 km/s
Siehe Inertielsystem, Keplerbahn, Satellitenbahnelement, Bahnelement, Argument des Knotens und Exzentrizität (Mathematik).
Störkräfte
Störkräfte verursachen zeitliche Änderungen der Bahnlemente, siehe Bahnstörungen eines Satelliten.
| Störung in [m] | ||
| Kraftkomponponente | 3-Stunden-Bogen | 2-Tage-Bogen |
| Erdabplattung () | ca. 2'000 | 14'000 |
| Andere Gravitationsanteile | 5-10 | 100-1'500 |
