1 GPS – Global Positioning System Gehalten von: Tobias Werner Unter Leitung von: Stefan Bergstedt...
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GPS – Global Positioning System
Gehalten von: Tobias Werner
Unter Leitung von: Stefan Bergstedt
Hamburg den 24.01.2005
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Vorschau
1. Einleitung
2. Die Segmente
2.1 Weltraumsegment
2.2 Kontrollsegment
2.3 Benutzersegment
3. Geschichtliche Übersicht
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Vorschau
4. Funktionsweise
4.1 Positionsbestimmung
4.2 Ausgesendete Signale
4.3 Laufzeitmessung
4.4 Fehlerquellen
4.5 Erreichbare Genauigkeit
5. Galileo
4
1. Einleitung
- satellitengestütztes Navigationssystem
- eigentlich NAVSTAR-GPS
- NAVigation System with Timing And Ranging – GPS
- Ortsbestimmung eines GPS Empfängers
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1. Einleitung
- Feststehend
- Bewegt auf der Erdoberfläche
- Bewegt in niedrigen Umlaufbahnen
- Kostenlose Bereitstellung an Jedermann
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1. Einleitung
- Leitung des US-Verteidigungsministeriums / DoD
- Als nur dem Militär vorbehaltene Einrichtung geplant
- Positionsbestimmung und Navigation
- Waffensysteme, Kriegschiffe, Militärflugzeuge
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1. Einleitung
- Zivile Nutzung in Luft- und Seefahrt
- Autos, Motorräder
- Landvermessung
- Zeitmessung
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2. Die Segmente
- Drei grundlegende Segmente
- Spacesegment (Satelliten)
- Controllsegment (Kontrollstationen)
- Usersegment (GPS-Empfänger)
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2. Die Segmente
spacesegment
MonitorstationenHaupt-
kontrollstation usersegment
controllsegment
Verbindungs-
Station
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2.1 Weltraumsegment
- mindestens 24 Satelliten
- 21 + 3 Erzatzsatelliten
- 55° Inklination
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2.1 Weltraumsegment
- 20 200 Kilometer Höhe
- 6 Orbitalbahnen
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2.1 Block I Satelliten
- 11 Satelliten zwischen 1978 – 1985
- Masse von 845 kg
- Solarpanels mit 400 Watt
- Prototypen zur Erprobung des Systems
- Keiner mehr im Dienst
Quelle:NASA
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2.1 Block II Satelliten
- seit 1989
- Masse von 1500 kg
- Solarpanels mit 750 Watt
- detektieren Atomexplosionen
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2.1 Block II Satelliten
- Ausgelegte Betriebsdauer von 7.5 Jahren
- max. 50 Watt Sendeleistung
- Cäsium und Rubidium Atomuhren
- Uhrenstabilität von 10-13 s
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2.1 Trägerraketen
- Delta Rakete
- 50 Millionen US-Dollar
- 50. Satellitenstart 20.03.04
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2.1 Satelliten Übersicht
Block Jahr Anmerkung
I 1978
II 1989
IIA 1990 (advanced)
IIR 1999 (replenishment)
IIR-M 2003 (modernisation)
IIF 2012 (following-on)
III 2014
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2.2 Kontrollsegment
- Alleinige Kontrolle durch US-Armee
- eine „Master Control Station“
- 4 weitere Monitorstationen
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2.2 Kontrollsegment
- Schriever Air Force Base
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2.2 Kontrollsegment
- Auswertung 24 Stunden pro Tag
- schnelle Feststellung von Fehlern
- 1-2 Satellitenupdates pro Tag
- Ausfallsicherheit von 180 Tagen
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2.3 Benutzersegment
- Größe eines Handys
- In Armbanduhren
- mindestens 12 Kanäle
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3. Geschichtliche Übersicht
1973 Beschluss zur Entwicklung
1978 - 1985 Start von insgesamt 11 Block I Satelliten
1983 Zivile Nutzung nach Abschuss von
Korean Airline 007
1989 Der erste Block II Satellit wird installiert
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3. Geschichtliche Übersicht
08.12.1993 Erste Betriebsbereitschaft
bekanntgegeben
März 1994 Komplettierung der Satellitenkonstellation
17.07.1995 Volle Betriebsbereitschaft
01.05.2000 Endgültige Abchaltung der SA
(Selective Availability)
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4.1 Positionsbestimmung
- Genaue Satellitenposition bekannt
- Empfänger- und Satellitenuhr absolut synchron
- Laufzeitmessung Satellit/Empfänger
24
4.1 Positionsbestimmung
SenderSendezeit Ts
Empfänger
Empfangszeit Te
Entfernung p
Ausbreitungsgeschwindigkeit c
T = (Te -Ts)
p = T * c
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4.1 Positionsbestimmung
- mehrere Satelliten ermöglichen die Ortsbestimmung
- 4 Satelliten sind im 3 Dimensionalen nötig
- Bestimmung von Position und Höhe
- Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit
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4.1 Positionsbestimmung
- Betrachtung im 2 Dimensionalen
27
4.1 Positionsbestimmung
- ungenaue Quarzuhr im Empfänger
- exakte Satellitenzeit muss bekannt sein
- Zeitfehler von 1/100 s entspricht 3000Km
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4.1 Positionsbestimmung
Tatsächliche Position A
Pseudoposition B
29
4.1 Positionsbestimmung
- Verwendung eines weiteren Satelliten
- Tatsächliche Position A
- Drei Pseudopositionen B
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4.1 Positionsbestimmung
31
4.1 Positionsbestimmung
Korrektur des
Uhrenfehlers
durch
Vereinigung
der
Pseudopositionen
32
4.1 Positionsbestimmung
- Empfängeruhr läuft Synchron mit Satellitenuhr
- „Günstige Atomuhr“
- Exakte Zeitmessungen Möglich
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4.2 Ausgesendete Signale
- Hohe Anforderungen
- <2 GHz (keine Richtantennen)
- >100 MHz (Ionische Verzögerung)
- vom Wetter unabhängiger Frequenzbereich
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4.2 Ausgesendete Signale
- passive Positionsbestimmung
- Geschwindigkeitsmessung (Dopplereffekt)
- Aussenden von Navigationsdaten
- Korrektur Ionosphärischer Verzögerungen
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4.2 Ausgesendete Signale
- 2 Trägersignale im Mikrowellenbereich
- L1-Frequenz mit 1575.42 MHz
- L2-Frequenz mit 1227.60 MHz
- L-Band: 1000 - 2000 MHz
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4.2 Ausgesendete Signale
- Drei verschiedene Binärcodes
- Phasenmoduliert
- Phasenumkehr bei Codeveränderung
- Nur für digitale Codes geeignet
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4.2 Ausgesendete Signale
- c/a (coarse aquisition, grobe Bestimmung)
- 1023 Chip lang , Frequenz 1023 MHz
- PRN Code (pseudozufälliger Code)
- Für jeden Satelliten eindeutig
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4.2 Ausgesendete Signale
- c/a Code moduliert L1
- P Code moduliert beide Frequenzen
- sehr langer 10.23 MHz PRN Code
- Anwendung im militärischen Bereich
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4.2 Ausgesendete Signale
- Navigationsnachricht mit 50 Bit/s
- Mit 50 Hz in L1 moduliert
- Datum, Uhrzeit und Satellitenpositionen
- Satellitenstatus, PRN Nummer u.s.w
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4.2 Ausgesendete Signale
- Signal besteht aus 37500 Bit
- Übertragungszeit von 12.5 Minuten
- benötigte Zeit für die erste Positionsbestimmung
- wichtige Daten wiederholen sich alle 30s
41
4.3 Laufzeitmessung
- Identifikation des Satelliten
- Referenzcode im Empfänger
- Vergleich mit dem Satellitensignal
- Phasenverschiebung entspricht Laufzeit
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4.3 Laufzeitmessung
1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1
1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1
T = ∆φ
- Codelänge 1023 Chip
- Übertragungszeit 1ms
43
4.3 Laufzeitmessung
- Code wiederholt sich alle 300 Km
- Verschiebung um 1 chip 300m
- moderne Empfänger berechnen 1% chip-Länge
- theoretische Genauigkeit von 3m
44
4.3 Laufzeitmessung
- Signalverschiebung von 3 chips
- Errechnete Strecke 3 * 300m = 900m
- was soll das bedeuten?
45
4.3 Laufzeitmessung
- Mögliche Entfernungen 0 – 300 Km
- viele mögliche Positionen
- Positionen der Satelliten
- Uhrzeit
46
4.3 Laufzeitmessung
47
4.3 Laufzeitmessung
- Entfernung grüner Punkt 24000 Km
- Signalverschiebung von 3 μs
- Entfernung Empfänger 24000.9 Km
- Signallaufzeit von 0.08003 s
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4.4 Fehlerquellen
- SA Effekt
- künstliche Verfälschung der Uhrzeit in L1
- Ungenauigkeit im Bereich von 100m
- Höhendaten praktisch unbrauchbar
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4.4 Fehlerquellen
- Ungünstige Satellitengeometrie
50
4.4 Fehlerquellen
- Schwankungen der Umlaufbahnen
- Mehrwegeffekt durch Reflexionen
- Atmosphärische Effekte
- Uhrenungenauigkeit
51
4.4 Fehlerquellen
- Relativistische Effekte
- Spezielle Relativitätstheorie
- Schnelle Objekte = langsame Zeit
- Zeitfehler von etwa 7.2 Mikrosekunden pro Tag
52
4.4 Fehlerquellen
- Allgemeine Relativitätstheorie
- Starke Gravitation = langsamere Zeit
- Satellitenzeit vergeht schneller
- Zeitdilatation 6 mal größer als bei spez. Rel.
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4.4 Fehlerquellen
- Insgesamt laufen die Uhren zu schnell
- etwa 38 Mikrosekunden pro Tag
- Die Uhren laufen mit 10.229999995453 Mhz
- offiziell mit 10.23 MHz
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4.4 Fehlerquellen
Störungen durch die Ionosphäre 5 Meter
Schwankungen der Umlaufbahnen 2.5 Meter
Uhrenfehler 2 Meter
Mehrwegeffekte 1 Meter
Störungen durch die Troposphäre 0.5 Meter
Rechnungs- und Rundungsfehler 1 Meter
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4.5 Erreichbare Genauigkeit
- Genauigkeit von ungefähr 15 Meter
- Steigerung auf 1m möglich
- D-GPS
- WAAS
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4.5 Differentielles GPS
- Nahegelegene Referenzstation
- Berechnung des Positionsfehlers
- Übertragung an den GPS-Empfänger
- mittlere Genauigkeit von 3m
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4.5 Differentielles GPS
Genau bekannte Position
Gesuchte Position
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4.5 Wide Area Augmentation System
- etwa 25 Bodenstationen in den USA
- Korrektur von Umlaufbahn, Uhren, Signallaufzeit
- 2 Geostationäre Satelliten
- mittlere Genauigkeit von 1m
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5. Galileo
- Einsatzbereit frühestens 2010
- 30 Satelliten
- Höhere Genauigkeit als GPS
- militärische Nutzung