Globalt satellitnavigationssystem

Frekvenser for de forskellige GNSS

Et globalt navigationssatellitsystem ( engelsk globalt navigationssatellitsystem ) eller GNSS er et system til positionering og navigation på jorden og i luften ved modtagelse af signaler fra navigationssatellitter og pseudolitter .

GNSS er en samlebetegnelse for brug af eksisterende og fremtidige globale satellitsystemer som f.eks

og forskellige supplerende systemer i Europa, USA, Japan og Indien . NAVSTAR GPS har været fuldt funktionel siden 1995, GLONASS siden 1996, men mistede derefter næsten halvdelen af ​​satellitterne på grund af alder i de følgende år. GLONASS har været fuldt operationelt igen siden 2011. Den fulde udvidelse af Beidou og Galileo forventes omkring 2020.

Arbejdsmetode

Krydsning af tre sfæriske overflader

Satellitterne i GNSS- satellitkonstellationen kommunikerer deres nøjagtige position og tid via radiokoder. For at bestemme position skal en modtager modtage signaler fra mindst fire satellitter på samme tid. Udbredelsestiderne for pseudosignalet måles i modtagerenheden (fra satellitterne til den modtagende antenne, inklusive modtagerens urfejl) og den aktuelle position (inklusive højde) og urfejlene bestemmes ud fra dette.

En konstellation af 24 til 30 satellitter bruges i en bane på ca. 25.000 km. Dette er for at sikre, at de modtagende enheder - selvom udsigten til horisonten ikke er helt fri - altid kan modtage signaler fra mindst fire satellitter samtidigt (med GPS er der 6 til 12 satellitter).

Positionsnøjagtigheden kan forbedres af stationære modtagestationer . De sender korrektionssignaler ( DGPS ) til brugerne. Det tyske SAPOS- system drives af de statslige undersøgelseskontorer . SAPOS leverer tre forskellige signaltjenester, der opnår en nøjagtighed på mindre end 1 cm.

Satellitbaserede hjælpesystemer , English Satellite-Based Augmentation System (SBAS) , er det europæiske EGNOS , US WAAS , den japanske MSAS og den indiske GAGAN , som udsender korrektionssignaler via geostationære satellitter. Det kinesiske Beidou- system er stadig under opførelse, det indiske IRNSS- system er stadig under planlægning.

Detaljer om den teknologi, der anvendes i GPS, kan også findes i artiklerne GPS-teknologi og hyperbolnavigation ; de andre ovennævnte systemer adskiller sig fra dette i varierende grad.

Målepraksis

Satellitplaceringen ændres konstant (med GPS næsten 3,9 km / s) og dermed satellitens afstand til et bestemt punkt på jorden. Dog kan brugeren beregne satellitplaceringerne for hvert tidspunkt ud fra kredsløbsdataene ( ephemeris ) indeholdt i satellitsignalerne . Disse orbitale data (GPS og Galileo er Kepler orbitale elementer , GLONASS er koordinat-, hastigheds- og accelerationsvektorer) sammenlignes regelmæssigt af jordstationer (ca. hver anden time med GPS).

Afstanden fra satellitten til observatøren skyldes signaludbredelsestiden. Hver satellit sender kontinuerligt sin individuelle kode, den aktuelle tid og dens individuelle kredsløbsdata. Med GPS og GLONASS gentages denne sekvens hver millisekund. Modtageren bruger en faselåst sløjfe til at håndtere tids- og frekvensskift forårsaget af forsinkelse og Doppler- effekter.

Med nøjagtigt synkroniserede ure i satellitten og modtageren svarer tidsforskydningen målt på denne måde til satellittsignalernes transittid. Multiplikationen af ​​denne transittid med signalhastigheden (næsten lysets hastighed ) resulterer i afstanden fra satellitten til modtageren.

For en ruteøjagtighed på tre meter skal transittiderne bestemmes med en nøjagtighed på ti nanosekunder. I stedet for at udstyre modtageren med et tilsvarende atomur med høj præcision bestemmes fejlen i modtageruret og tages med i betragtning i positionsberegningen. For at bestemme de fire ukendte (tre rumlige koordinater og modtagerurfejl) har man brug for fire satellitter. Dette fører til fire ligninger med fire ukendte.

De bestemte koordinater vedrører koordinatsystemet for det respektive navigationssystem; med GPS for eksempel på WGS84 . Den bestemte tid defineres også af navigationssystemet; så z. B. GPS-tiden fra den universelle tid UTC med et par sekunder , da skuddsekunder ikke tages i betragtning i GPS-systemtiden. Disse er blevet tilføjet hvert andet år siden 1980, så afvigelsen i øjeblikket er (pr. Januar 2017) 18 sekunder.

Den geografiske længde, geografiske bredde og højden over den definerede referenceellipsoid kan beregnes ud fra de geografiske koordinater . Det skal dog bemærkes, at de anvendte koordinatsystemer kan afvige fra andre almindelige koordinatsystemer, så den bestemte position kan afvige fra positionen i mange, især ældre, kort op til et par hundrede meter. Højden bestemt af GNSS og højden "over havets overflade" kan også afvige fra den faktiske værdi ( geoid ) med flere meter.

Målefejl

Slibning
Kørselsfejl på grund af brydning
Kørselsfejl på grund af vinkler

Som med triangulering skal tetraederens volumen , som satellitterne spænder med observatøren øverst, være så stort som muligt; ellers reduceres den opnåelige positionsnøjagtighed ( Fortynding af præcision , DOP). Hvis satellitterne er i samme plan som modtageren, dvs. tilsyneladende i en linje set af observatøren, er ingen positionsbestemmelse mulig. Imidlertid forekommer en sådan konstellation næsten aldrig.

Atmosfæren ændrer signalets udbredelsestid. I modsætning til troposfæren er ionosfærens indflydelse frekvensafhængig. Det kan korrigeres delvist, hvis modtageren vurderer signaler, som satellitten sender på forskellige frekvenser ( dobbeltfrekvensmodtager ). Der er kun et signal tilgængeligt for de GPS-modtagere, der i øjeblikket (2020) er fælles på fritidsmarkedet.

Svingningsområdet for antallet af frie elektroner i ionosfæren forårsager en rumlig fejl på op til 30 m. For at reducere den til mindre end 10 m transmitterer GPS-satellitter seks parametre, der beskriver ionosfærens aktuelle tilstand. Imidlertid kan kortvarige scintillationer ikke korrigeres med det.

Positionsnøjagtighed med ukorrigerede målte værdier ( User Range Error , URE):

kilde Tidsfejl Placeringsfejl
Satellitposition 6-60 ns 1-10 m
Tidsdrift 0-9 ns 0-1,5 m
ionosfæren 0-180 ns 0-30 m
Troposfæren 0-60 ns 0-10 m
Multi-vejs effekt 0-6 ns 0-1 m

De satellitrelaterede fejl, dvs. satellitposition og tidsmåling, omtales på engelsk som Signal in Space - User Range Error (SIS-URE), fejlene i stienformering User Equivalent Range Error (UERE).

Nøjagtigheden øges, når mere end fire satellitter kan modtages. Denne måling kaldes derefter "overdetermined location". Fejlene kan efterfølgende reduceres til et par centimeter ved at sammenligne dem med referencemålinger . Denne type korrektion kaldes DGNSS (Differential Global Navigation Satellite System). Hun finder i stedet den differentielle GPS (DGPS) i realtid , hvis referencedataene online er tilgængelige.

Hvis du også vurderer faserne på satellitsignalerne, kan der også opnås dynamiske relative nøjagtigheder på nogle få centimeter.

Systemer

Antal GNSS-satellitter, der blev lanceret fra 1978 til 2014

De amerikanske militærsystemer NAVSTAR-GPS (forkortet GPS ) og den russiske GLONASS kaldes førstegenerationssystemer . Efter opgradering med nye satellitter er anden generation GPS tilgængelig. Det kan sammenlignes med Galileo , som også vil tilhøre anden generation . I ESA- sprogbrug står GNSS-1 for de originale systemer GPS og GLONASS, GNSS-2 for Galileo og systemer fra anden generation. Udtrykket GPS III beskriver den komplette revision af alle systemkomponenter. Dette redesign vil vare indtil anden generation endelig er bygget og resultere i kvalitetsforbedringer på mange områder.

Det japanske quasi-zenith-satellitsystem (QZSS) har til formål at forbedre lokaliseringen i Japans bykløfter. Tyve satellitter fra det kinesiske Beidou- system er allerede i kredsløb. I Indien har mindst en satellit (GSAT-8) fra ISRO støttet GAGAN ( GPS Aided Geo Augmented Navigation ) siden midten af ​​2011 .

Andre anvendelser

GNSS-satellitter sender ikke kun et radiosignal, men også senderens nøjagtige position. Lokaliseringen af ​​signalkilden og en sammenligning med den kendte position giver information om udbredelsesmediets art.

Ved hjælp af radio okkultation kan observationer af jordens atmosfære udføres med GNSS signaler og observationer af reflektionsevnen af vandoverflader med GNSS-R .

Se også

litteratur

  • Manfred Bauer: Landmåling og positionering med satellitter. Global Navigation Systems (GNSS) og andre satellitnavigationssystemer. 6. udgave. Wichmann, Berlin 2011, ISBN 978-3-87907-482-2 .
  • Werner Mansfeld: Satellitpositionering og navigation. Grundlæggende, driftsformer og anvendelse af globale satellitnavigationssystemer. 3. Udgave. Vieweg, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-0611-6 .
  • Hans Dodel, Dieter Häupler: Satellitnavigation. 2. udgave. Springer, Berlin 2010, ISBN 978-3-540-79443-1 .

Weblinks

Wiktionary: Satellitnavigation  - forklaringer på betydninger, ordets oprindelse, synonymer, oversættelser

Individuelle beviser

  1. ↑ Ydelsesanalyse af QZSS SIS-URE og brugerpositioneringsnøjagtighed med GPS og QZSS ( Memento af 30. december 2011 i internetarkivet )
  2. ↑ Liste over navigationssatellitter
  3. ↑ Geo-stationær satellit: GSAT-8. ( Memento fra 13. oktober 2011 i internetarkivet )