Navigationssatellit

TOPEX / Poseidon-satellitten blev lanceret i 1992 til nøjagtige højdemålinger

Som navigationssatellitter er kunstige jordsatellitter, der kaldes positionering bruges af land-, sø- og luftfartøjer.

funktionalitet

Til dette formål udsender satellitten - hvis kredsløb måles nøjagtigt - radiosignaler, der modtages og analyseres af måleenheder på jorden. Tidligere blev frekvenser mellem 100 og 500 MHz ( meter- og decimeterbølger ) brugt, i dag op til 20 GHz ( centimeterbølger ).

Grundlaget er afstandsmålingen mellem modtageren og den aktuelle satellitposition. Det kan også gøres ved hjælp af “ pseudoranging ” eller Doppler-effekten ( hyperbolnavigation ). Solceller bruges til strømforsyning, atomure (tidligere kvartsoscillatorer) som tidsstandarder og et netværk af observationsstationer med et tilknyttet datacenter til at bestemme kredsløbet .

Baner på TRANSIT-NNSS-satellitterne
Bevægelse af de originale 18 GPS-satellitter

I et system, der bevæger sig i forhold til observatøren, kører tiden langsommere (se tidsudvidelse og Hafele-Keating-eksperiment ). Ure om bord på en navigationssatellit skal justeres igen og igen. Alternativt kan atomuret fortsætte med at køre ukorrigeret, men i stedet opdateres en korrektionsværdi.

Baner

Valget af baner bestemmer i det væsentlige systemets ydeevne. Satellitter i lave baner tillader mere nøjagtig triangulering, men har en kortere levetid og en kortere synlighedstid, så der kræves flere satellitter for fuld dækning. Derfor kan navigationssatellitternes højder og tilbøjeligheder - afhængigt af formålet - være meget forskellige. Transit- NNSS-systemet, som blev udbredt i 1965-1990 , havde 5-6 satellitter i 1000-1100 km høje polære baner . De var så forskudt fra hinanden (se billedet til højre), at en satellit steg over horisonten omkring hver time. Jorden roterer under disse satellitbaner som i et bur.

Dagens globale positioneringssystem bruger 25-30 satellitter i en højde af 20.200 km og kredser med en hældning på 55 ° til ækvator. GLONASS (med en lidt højere tilbøjelighed til bedre at dække højere breddegrader) og det europæiske Galileo- system bruger en meget lignende konfiguration , mens BeiDou distribuerer et tilsvarende antal satellitter i geosynkrone og geostationære baner 22.000 km høje. I alle tilfælde er målet at have et bestemt antal satellitter (mindst fire, i praksis mindst seks til otte) over horisonten på ethvert tidspunkt på jorden til enhver tid. Banehøjden betyder mere komplekse starter, men satellitterne er længe synlige over ét sted, og deres levetid er også lang (10-15 år). Den højfrekvente teknologi er så avanceret, at den udstrålede med kun omkring 50 watt signaler er stadig let målbar på Jorden. De fleste satellitter har i øjeblikket masser på omkring 2000 kg og har hver 2 atomure baseret på cæsium eller rubidium . Derudover er der jordstationer, der måler satellitbanerne med høj præcision og skal gøre disse data tilgængelige for satellitterne. Kendskab til stierne er afgørende for en nøjagtig bestemmelse af positionen.

Måleprincipper

Doppler-effekt og dens evaluering

Den første satellit, Sputnik, der blev lanceret i oktober 1957 transmitterede kontinuerligt radiosignaler. Allerede da havde forskere undersøgt Sputniks bane både med interferometre og med enkle, ensrettet antenner. Man kom hurtigt til den konklusion, at man kunne beregne sin egen position med et tilstrækkeligt nøjagtigt ur, Sputniks kredsløbselementer og Doppler-forskydning af Sputnik-signalerne. I sidste ende var det endda muligt at få nok data til en positionsbestemmelse fra en enkelt overflyvning af satellitten.

Det første pålidelige og anvendelige satellitnavigationssystem var det amerikanske transit-NNSS-system i 1960'erne . Den brugte Doppler-effekten som følge af satellitbevægelsen , som blev målt på kodede tidsstempler i transportsatelliternes radiosignaler. De ubåde i flåden havde dermed mulighed for, uanset deres sted (første LORAN havde i bedste fald et par tusinde miles en række) og vejret ( astronomisk navigation ) at bestemme positionen og bane af Polaris programmet -Atomraketen korrekt.

Doppler-skiftet blev optaget og integreret i 1 minut, hvilket svarer til afstandsforskellene mellem de relevante satellitord og modtageren. Skibets position blev opnået fra disse hyperboliske linjer med en nøjagtighed på ca. 50 m - men kun 15-30 gange om dagen.

se hovedartikel Doppler-satellit .

Da hver dopplermåling har at gøre med hastigheder eller deres forskelle, kan køretøjets egen hastighed og jordens rotation også registreres. Derudover blev NNSS-systemet brugt til national landmåling : samtidige målinger udført med to eller flere modtagere ved fjerne målesteder kunne præcist bestemme afstanden mellem dem. Evalueringen med specielle differentieringsmetoder (sektion af hyperboloider ) resulterede i efterbehandlingspositioner , der var nøjagtige til ca. ± 50 cm.

Avancerede navigationssatellitter i 1970'erne (type NOVA ) havde specielle accelerometre om bord for at eliminere ikke-tyngdekræfterne på satellitbanerne. Dette gjorde det muligt navigation skal øges med en nøjagtighed på 20 meter i hele verden, og i længere nationale landmåling kampagner selv til ± 20 cm.

Dopplerskift måles også ved hjælp af Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite (DORIS) satellitsystem udviklet af Frankrig . Målingerne foretages imidlertid ikke på jorden, men i selve rumsonderne, hvilket reducerer indsatsen. Dagens fokus for DORIS er ikke navigation, men overvågning af jordens rotation , ionosfæren og det geodetiske referencesystem .

Selv i dag bruger COSPAS-SARSAT , et satellitsystem til lokalisering af styrtede skibe og fly, Doppler-effekten - skønt nødsignalerne registreres af satellitten og evalueres i en jordstation.

To-vejs målinger og GPS-pseudoruter

Andre systemer (f.eks. PRARE ) bærer transpondere for at besvare radiosignalerne, der kommer fra en jordstation (svarende til sekundær radar ). Denne tovejsmåling giver - i modsætning til GPS - en realtid for flyvemåling og en bedre registrering af den atmosfæriske brydning .

Alle af nutidens globale satellitnavigationssystemer (GPS, GLONASS, Galileo eller Beidou) ikke arbejde - som det ofte hævdet - med ægte runtime måling af de kodede signaler (se trilateration ), men med pseudo-ruter . De betyder en afstandsmåling, hvor alle måleafstande afviger fra den sande værdi med en konstant mængde, fordi satellit- og modtagerur kun kan synkroniseres omtrent. Det øjeblik, hvor signalet ankommer til modtageren, registreres i dets tidssystem, og den lille tidsforskel δt bestemmes som en ukendt sammen med placeringskoordinaterne . Derfor er det ikke tilstrækkeligt at måle afstanden til tre satellitter (krydset mellem tre kugler); en fjerde er påkrævet. Faktisk er der normalt 6-10 satellitter over horisonten alligevel, så den geometrisk bedste konstellation kan vælges (se nøjagtighedsparametrene PDOP og GDOP ). Moderne enheder kan modtage signalerne fra flere systemer og evaluere dem parallelt, så nøjagtigheden og tilgængeligheden øges.

Se også

Individuelle beviser

  1. ^ William H. Guier, George C. Weiffenbach: Genesis of Satellite Navigation . I: Johns Hopkins APL Technical Digest . bånd 19 , nr. 1 , 1998, s. 14–17 (engelsk, online [PDF; 42 kB ; adgang den 7. august 2020]).