GPSGlobal Positioning System

Grundlagen

Historische Entwicklung

17. April 1973 bündelt die US Regierung in einem Memorandum die Aktivitäten ihrer Teilstreitkräfte zur Entwicklung von Ortungssystemen. Der damalige Name lautete NAVSTAR-GPS.

NAVigation Satellite Timing And Ranging-Global Positioning System.

Die Zuständigkeit für die Entwicklung erhielt die amerikanische Luftwaffe

Anforderung an GPS

• Einem GPS Nutzer – egal ob Ruhe oder Bewegung- sollen sehr genaue Informationen über seine (dreidimensionale) Position, seine Geschwindigkeit sowie über die Zeit überall auf oder zumindest nahe der Erde zur Verfügung gestellt werden.

• Diese Informationen sollen ständig und unabhängig von den Wetterbedingungen zur Verfügung stehen.

Die drei Phasen des Aufbaus von GPS(1)

• Am 27.Juni 1978 wurde der erste zum NAVSTAR Programm zugehörige Satellit gestartet.

• Phase I 1974-1979 ÜberprüfungsphaseIn dieser Phase wurde mit Hilfe von Testsatelliten untersucht, ob die vorgesehene Konzeption geeignet ist, die Forderungen zu erfüllen.

Die drei Phasen des Aufbaus von GPS(2)

• Phase II 1979-1985 Entwicklungsphase

In dieser Phase konzentrierte man sich auf die technische Entwicklung des Systems. Dazu gehörte Prototypsatelliten und Arbeiten an den Empfangs-systemen.

Die drei Phasen des Aufbaus von GPS(3)

• Phase III 1985-1995 Ausbauphase

Das System wurde nach und nach voll ausgebaut. Im Februar 1989 wurde der erste operationelle „Block II Satellit“ in die Umlaufbahn geschossen. Am 17.07.1995 meldet die US-Luftwaffe die: Einsatzbereitschaft von GPS!

Block II Satelliten

• Die Block II,IIA Satelliten wurden von der Firma Rockwell Space Division geliefert.

• Die jüngste Satellitengeneration trägt den Namen Block IIR. Der Lieferant ist die Firma Lockheed-Martin Astro Space. Der erste erfolgreiche Start eines Block IIR Satelliten gelang im Juli 1997 Im Januar 2001 wurde der 6 IIR- Satellit erfolgreich auf seine Umlaufbahn geschossenen.

Technische Unterschiede der Satelliten(1)

• Der wesentlichste Unterschied zwischen Block II und Block IIA Satelliten ist: das Block II Satelliten 14 Tage ihre Navigationsdaten speichern können und somit in Notfällen 14 Tage ohne Kontakt zum Kontrollzentrum Navigationsdaten ausstrahlen können. Block IIA Satelliten haben Speicherkapazitäten für 180 Tage.

Technische Unterschiede der Satelliten (2)

• Block IIR Satelliten unterscheiden in folgenden wesentlichen Punkten

1. Zwei Atomuhren sind ständig in Betrieb.2. Sie verfügen über Mikroprozessoren die

vom Boden aus umprogrammiert werden können.

3. Sie verfügen über mehr Treibstoff für einen eventuellen Positionswechsel.

4. Sie haben die Fähigkeit der Steckenmessung von Satellit zu Satellit. Diese zusätzlichen Informationen helfen Bahndaten unhabhängig vom Kontrollzentrum zu berechnen.

Technische Unterschiede der Satelliten (3)

• Satelliten vom Typ Block IIR können ihre Bahndaten autonom berechnen und das bis zu 180 Tagen. Der Normalfall ist jedoch, ein Abgleich mit der Bodenstation im 8 Stunden Intervall. Gelingt dies nicht, ist mit erheblichen Genauigkeitseinbußen zu rechnen.

• Das „R“ der Block IIR Satelliten steht für Replenishment = Auffüllung.

• Die nächste Satellitengeneration soll die Bezeichnung Block IIF tragen. Hier steht das „F“ für „Follow up“.

• Ab 2010 soll die Generation der Block III Satelliten in den Dienst gestellt werden. Die Definitionsphase läuft bereits.

Technische Unterschiede der Satelliten (4)

• Optische Unterschiede

• Die IIR Satelliten (rechte Abbildung) haben bewegliche Sonnenpaddel mit einer Fläche von 7,2 qm sind 840 Kg schwer und besitzen je zwei Rubidium und Cäsium Frequenznormale (Atomuhren).

Funknormale

• In Atomuhren wird die Eigenschaft von Atomen ausgenutzt, beim Übergang zwischen zwei Energiezuständen (Energieniveaus) elektromagnetische Wellen mit einer charakteristischen Schwingungsfrequenz f0 abstrahlen oder absorbieren zu können. Der Wert von f0 ergibt sich aus der Energiedifferenz beider Zustände, geteilt durch die Planck-Konstante. In Atomuhren werden Übergänge zwischen solchen Energieniveaus verwendet, die eine lange natürliche Lebensdauer besitzen und deren Lage nur wenig von elektrischen und magnetischen Feldern beeinflussbar ist.

Atomuhr

Problem Lebensdauer(1)

• Die Konstrukteure haben den Satelliten der Generation II und IIA eine Lebensdauer von 7,5 Jahren bescheinigt. Der derzeit älteste aktive Satellit wurde am 10 Juni 1989 in seine Umlaufbahn geschossen. Das heißt, er ist älter als 13 Jahre.

• Die Generation der IIR Satelliten liegt bei 10 Jahren und der IIF Satelliten bei 15 Jahren.

Problem Lebensdauer(2)

• Das Risiko besteht, dass in kürzester Folge 17 der 24 (21 notwendige 3 Reserve Satelliten) ausfallen könnten.

• Die Lebensdauer eines Satelliten misst sich an ihre kritischsten Komponente: der Atomuhr (7,5 Jahre).

• 16 der 17 überalterten Satelliten haben zusätzlich das Problem, dass wichtige Komponenten wie Datenbus und Navigationseinheit nicht gedoppelt sind.

Problem Lebensdauer(3)

• Zu Berücksichtigen ist zudem die Tatsache, dass zwischen dem Start eines neuen Satelliten und dessen einwandfreien Betriebes 2 bis 8 Wochen vergehen.

• Heute werden 30 Tage vom Erkennen bis zur Aktivierung eines Satelliten benötigt, wenn ein Reservesatellit bereits vorhanden ist.

• Gearbeitet wird an einen Intervall von 72 Stunden für den Start eines Satelliten und zusätzlich 7 Tage für die Herstellung der Funktion.

GPS-Bahnebenen

Entwurf Satellitenkonstellation(1)Folgende Aspekte haben eine Bedeutung• Große Bahnhöhenhaben gegenüber den

kleineren den Vorzug, dass die Anzahl der benötigten Satelliten gering ist.

• Geneigte Bahnen haben gegenüber Polbahnen den Vorzug das einerseits polnahe Gebiete beobachtet werden können, aber anderseits unnötige Satellitenanhäufungen an den Polen vermieden werden.

Entwurf Satellitenkonstellation

(2)• Gleichverteilung der Satelliten erlaubt eine

komplette Überdeckung bei minimalen Aufwand und hat zugleich den Vorteil, dass mögliche Satellitenkontakte gut überschaubar bleiben.

• Symmetrie der Satellitenbahnen bewirkt, dass im Mittel auf alle Satelliten die gleichen Störfaktoren wirken, so dass die Konstellation relativ stabil ist.

Unter Berücksichtigung dieser Punkte ist eine Konstellation von 24 Satelliten entstanden.

Die Satelliten sind in 6 Bahnebenen (Bezeichnung A-F) angeordnet. Die aufsteigenden Knoten der Bahnebenen sind um je 60° getrennt. Die Bahnneigung beträgt 55°. Die große Halbachse der Satellitenbahnen ist 26609 km lang.. Dies entspricht einer Umlaufzeit von genau einem halben Sternentag. An einem Sternentag dreht sich die Erde um genau 360°. Nach zwei Umrundungen nehmen die Satelliten also immer die gleiche Position relativ zu Erdkörper ein. Da ein Sternentag aber 4 Minuten kürzer als ein Sonnentag ist, erscheinen sie jeden Tag um je 4 Minuten früher über den Beobachter.