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

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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

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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

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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

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4.1 Positionsbestimmung

- Verwendung eines weiteren Satelliten

- Tatsächliche Position A

- Drei Pseudopositionen B

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4.1 Positionsbestimmung

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4.1 Positionsbestimmung

Korrektur des

Uhrenfehlers

durch

Vereinigung

der

Pseudopositionen

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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

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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

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4.3 Laufzeitmessung

- Code wiederholt sich alle 300 Km

- Verschiebung um 1 chip 300m

- moderne Empfänger berechnen 1% chip-Länge

- theoretische Genauigkeit von 3m

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4.3 Laufzeitmessung

- Signalverschiebung von 3 chips

- Errechnete Strecke 3 * 300m = 900m

- was soll das bedeuten?

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4.3 Laufzeitmessung

- Mögliche Entfernungen 0 – 300 Km

- viele mögliche Positionen

- Positionen der Satelliten

- Uhrzeit

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4.3 Laufzeitmessung

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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

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4.4 Fehlerquellen

- Schwankungen der Umlaufbahnen

- Mehrwegeffekt durch Reflexionen

- Atmosphärische Effekte

- Uhrenungenauigkeit

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4.4 Fehlerquellen

- Relativistische Effekte

- Spezielle Relativitätstheorie

- Schnelle Objekte = langsame Zeit

- Zeitfehler von etwa 7.2 Mikrosekunden pro Tag

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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