Uhrzeitführung bei allen Systempartnern. Ausfall eines ...dani/SAT.-NAV.C.pdf · Block IIR-M - Satellit September 2005: Start des ersten Satelliten der Generation Block IIR-M. Dieser

Institute for Automation, Department of Computer Science, University of Technology

Uhrzeitführung

Satellitennavigationssysteme erfordern eine genaue Uhrzeitführung bei allen Systempartnern. Die Atomuhren sind ein häufiger Grund für den Ausfall eines Satelliten und daher in der Regel vierfach vorhanden, jedoch ist immer nur eine der Uhren aktiv.Gewählt: UTC-Zeit = koordinierte Weltzeit = Universal Time Coordinated.


Universal Time Coordinated

UTC-ZeitUTC ist die Referenzzeit für Zeitangaben in der Luft- und Seefahrt, für den wissenschaftlichen Bereich, teilweise für internationale Projekte, die sich über mehrere Zeitzonen erstrecken wie zum Beispiel auf der Internationalen Raumstation ISS.



zahlreiche Nationen bemühen sich um eine nationale Uhrzeitrepräsentation.Die beteiligten Nationen übermitteln ihre nationalen Uhrzeitinformationen an ein gemeinsames Büro für die Generierung der Weltzeit, das „Bureau International des Poids et Mesures“(Internationales Büro für Maß und Gewicht BIPM) in Paris (Frankreich).



Die einzelnen nationalen Uhrzeitinformationen werden mit Gewichtungsfaktoren versehen, die ein Ausdruck für die nationalen Anstrengungen für die Erstellung der nationalen Uhrzeitpräsentationen sind. Aus diesem gewichteten Mittel wird eine synthetische Uhrzeitinformation gebildet, die zusätzlich mit Korrekturen in Form von eingefügten Schaltsekunden so versehen wird, dass die Zeitinformation in Übereinstimmung mit dem Umlauf der Erde um die Sonne gebracht wird.


GPS-Systemzeit

05.01.1980 um 00.00 Uhr Start der GPS-Systemzeit. Die GPS-Systemzeit ist eine lineare Zeitskala, die bei Inbetriebnahme des Satellitensystems im Jahre 1980 mit der internationalen Zeitskala UTC gleichgesetzt wurde.Seit dieser Zeit wurden jedoch in der UTC-Zeit mehrfach Schaltsekunden eingefügt, um die UTC-Zeit der Änderung der Erddrehung anzupassen.


GPS-Systemzeit

Aus diesem Grund unterscheidet sich heute die GPS-Systemzeit um eine ganzzahligeAnzahl von Sekunden von der UTC-Zeit.Die Anzahl der Differenzsekunden ist jedoch im Datenstrom der Satelliten enthalten, so dass der Empfänger intern synchron zur internationalen Zeitskala UTC laufen kann.


Clock Generation

Temperaturstabilisierte QuarzoszillatorenDie Resonanzfrequenz eines Quarzes ist stark temperaturabhängig. Der Quarz und die gesamte Schaltung befindet sich in einem Quarzofen.Heizungsregelkreis wird mit einem Thermostaten bei konstanter Temperatur betrieben (Zweipunktregler).


Clock Generation

AtomuhrenCäsium, Rubidium und Wasserstoff sind die gängigsten Atome, mit denen Atomuhren betrieben werden. Die folgende Tabelle stellt ihre Eigenschaften gegenüber. Zum Vergleich sind die Werte für eine temperaturkompensierte Quarzuhr mit aufgenommen.


Vergleichstabelle der Oszillatoren

1310 − s510 1210 −s310 1510 − s510 810 − s100ca. Typ Frequenzf

GenauigkeitΔf/f

Langzeit-Stabilität

Cs 133 9,192631770 GHz

10-13 105

Rb 87 6,835 GHz 10-12 103

H-Maser 1,420 GHz 10-15 105

Schwingquarz < 10 GHz 10-8 ca. 100 s


Atomuhren

Cäsium-Atomuhren haben eine relative Frequenzabweichung von

das entspricht einer Abweichung von einer Sekunde in ca. 300.000 Jahren.

13f 10f

−Δ≤


Atomuhren

Beim GPS-Navigationssystem wurden Atomuhren redundant vorgesehen: Im Fall eines Ausfalls der Cäsium-Atomuhr sind an Bord noch zwei Rubidium-Atomuhren, auf die im Störungsfall umgeschaltet werden kann. Rb-Uhren sind sehr kompakt und wiegen nur wenige Kilogramm.


Atomuhren

Der Wasserstoff-Maser scheint die besten Eigenschaften zu haben: Die Gesamtmasse beträgt aber „nur“ ca. 50 kg, der elektrische Leistungsbedarf liegt bei etwa 50 W und das Volumen beträgt etwas weniger als 100 l.


Atomuhren

Die Feinstruktur-Strahlungsfrequenz des 133Cäsiumsatoms definiert seit 1967 im internationalen Einheitensystem die Zeitdauer einer Sekunde:Eine Sekunde ist das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung.


Atomuhren

Dreifach redundante Atomuhr der PTB

bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt PTB in Braunschweig/D.


Atomuhren

In Atomuhren nutzt man die Energieunterschiede zwischen den Zuständen der Hyperfeinstruktur. Dabei werden durch Energiezufuhr Elektronen auf eine höhere Umlaufbahn um den Atomkern angehoben. Dort befinden sie sich in einem metastabilen Zustand und kehren stochastisch auf die ursprüngliche Umlaufbahn zurück.Dabei geben sie Energie in Form elektromagnetischer Strahlung ab, die ΔW = h•ν beträgt. Darin sind h das Plancksche Wirkungsquantum und ν die Frequenz.


Atomuhren

Eine Entwicklung neben den hochpräzisen Uhren verfolgt den Bau preiswerter, kleiner, leichter und energiesparender Uhren, z. B. für den Einsatz in Satelliten, Raketen oder Drohnen. GPS, GLONASS oder künftig GALILEO benutzen Atomuhren in ihren Satelliten, um durch ihre hochgenaue Zeit die Positioniergenauigkeit zu erhöhen. Im Jahr 2003 ist es gelungen, eine Rubidiumatomuhr zu bauen, die nur ein Volumen von 40 cm3 einnimmt und einen Leistungsbedarf von einem Watt hat. Dabei erreicht sie eine Gangunsicherheit von ca. 3·10-12 .


Uhrzeitführung im GPS-Empfänger

Im herkömmlichen Hand-Held-Navigations-empfänger befindet sich keine Atomuhr. Dennoch benötigt der Navigationsempfänger die Information über die UTC-Zeit. Dies wird dadurch erreicht, dass von einem oder mehreren Satelliten die Uhrzeit zunächst übernommen und dann mit Hilfe der Bahndaten und der dabei aufgetretenen Laufzeit korrigiert wird.Das Gleichungssystem wird gelöst !


Anforderungen an satellitengestützte Navigationssysteme

rechtliche Verankerung der Positionsbestimmung für den NutzerIntegrität (d.h.: die Glaubwürdigkeit) für die PositionsbestimmungVerfügbarkeit des Dienstes zur Navigation weltweitStabilität des Dienstes gegenüber UnterbrechungenGenauigkeit der OrtungUnempfindlichkeit des Navigationssystems gegenüber StörungenNutzungskosten


Übersicht über bestehende Satellitennavigationssysteme

GPS:


Global Positioning System GPS

Komponenten des GPS-Systems: Satellit, Kontrollstation, Ladestation und Nutzer aus: www.aero.org/education/primers/gps/elements.htmlWeltraumsegment (Satelliten) Kontrollsegment (Kontrollstationen) Benutzersegment (GPS-Empfänger)

http://www.aero.org/education/primers/gps/elements.html



Weltraumsegment:Block I Satellit

Das Weltraumsegment besteht aus mindestens 24 Satelliten. Der erste dieser Satelliten wurde bereits 1978 in seine Umlaufbahn gebracht.



- Inzwischen gibt es fünf verschiedene Typen von GPS-Satelliten ( Block I, Block II, Block IIA, Block IIR und Block IIF ), die im Laufe der Jahre ständig weiterentwickelt wurden.- Zwischen 1978 und 1985 wurden 11 Block I-Satelliten mit jeweils einer Masse von 845kg gestartet, von denen heute jedoch kein einziger mehr in Betrieb ist. - Block II-Satelliten waren für eine Lebensdauer von 4,5 Jahren konzipiert, überlebten jedoch ihr geplantes Alter um weitere fünf Jahre. Einer dieser Satelliten war 13 Jahre lang in Betrieb.



Block II Satellit

GPS-Block IIA Satellit ( Quelle: NASA )



Block IIA-Satelliten:Der erste dieser Satelliten wurde 1989 von Cape Canaveral aus gestartet. Diese Satelliten haben eine "Spannweite" von ca. 5,1 m. Die Block II Satelliten sind für eine Betriebsdauer von 7,5 Jahren ausgelegt.Insgesamt wurden 9 Block II Satelliten und 18 Block IIA Satelliten bis September 1996 gestartet. Im Jahr 1990 wurde der erste Block IIA-Satellit ( A steht für "advanced" ) in seine Umlaufbahn gebracht.


Technische Daten des Block IIA-Satelliten

Masse der Block II Satelliten: 1.500 kg Stromversorgung: Solarpanels mit 400 W Leistung. Nickel-Cadmium-Akkus als Energiespeicher im Erdschatten.Triebwerke: Hydrazin N2H4 ist giftig, hochtoxisch für Wasserorganismen.

Wegen seiner hochreaktiven Eigenschaften verwendet man Hydrazin vor allem als Raketentreibstoff in Korrekturtriebwerken, wo es katalytisch zersetzt wird. Hydrazin wird in der F-16 als Brennstoff für ein Not-Energieaggregat mitgeführt.


Block II-R- und Block II-M-SatellitBlock II-R: R = replenishment = Auffrischung

Die Solarpanels leisten jetzt 750 Watt


Block II-R- und Block II-M-Satellit

Die Block II-Satelliten besitzen jeweils zwei Rubidium und zwei Cäsium-Atomuhren mit einer relativen Fequenzabweichung von .Aus der Grundfrequenz der Atomuhren (10,23 MHz) werden alle anderen Frequenzen abgeleitet. Die Satelliten des Blocks IIR haben drei Rubidium-Atomuhren an Bord.

1310ff

−Δ≤


Schweizer Atomuhr


Block IIR-M - Satellit

September 2005: Start des ersten Satelliten der Generation Block IIR-M. Dieser Satellit unterstützt als erster eine zweite Frequenz für die zivile Nutzung ( L2C-Frequenz ) und ein neues militärisches Signal mit den Frequenzen L1M und L2M. Der Block IIR-M-Satellit wiegt 2 Tonnen und kostet 75 Millionen Dollar. Weitere IIR-M Satelliten folgten ab 2006.


Bodensegment:(nach dem Master-Slave-Prinzip)

Position der Monitorstationen und der Master Control Station(Weltkarte:NASA; http://visibleearth.nasa.gov/)

http://visibleearth.nasa.gov/


Master Control Station


Monitor Stations

Betreibergesellschaft: NGA (National Geospatial Intelligence Agency)


Nutzersegment


Garmin Oregon 300


Garmin Oregon 300

Automatische Routenführung (Abbiegehinweise auf Straßen)Elektronischer Kompass: ja Barometrischer Höhenmesser: ja Jagd- und Angelkalender: ja Sonnen- und Mondkalender: ja Gezeitentabellen: ja Flächenberechnung: ja Benutzerdefinierte POIs (es können weitere POIshinzugefügt werden)Übertragung von Gerät zu Gerät (Daten werden drahtlos mit ähnlichen Geräten ausgetauscht)


Entwicklungs- und Betriebskostendes GPS

Die Entwicklungs- und Installationskosten des GPS-Systems beliefen sich auf 12 Milliarden US$ für Entwicklung und Inbetriebnahme.Die jährlichen Folgekosten durch Wartung, Instandsetzung und Inbetriebnahme von Ersatz-Satelliten betragen etwa 1 Milliarde US$. Dabei ging man von einer mittleren Lebensdauer (engl.: life cycle) von 7,5 Jahren aus.


GLONASS

GLONASS = GLObalnaya NAvigatsioannaya Sputnikovaya Sistema. Die russische Parallelentwicklung zu GPS. Für eine kommerzielle Nutzung ist es allerdings bislang kaum zu gebrauchen, weil es ähnlich wie GPS vom Militär kontrolliert wird und aktuell zu wenige operable Satelliten hat.


GLONASS(Technische Daten)

24 Satelliten in 3 Bahnebenen mit je 8 Satelliten, von einander um 45 Grad getrenntBahninklination 64,8 GradOrbithöhe: 19.100 kmUmlaufzeit: 11 h 16 minDurchschnittliche Satelliten-Lebensdauer: 3 JahreStellitenstartmasse ( bei GLONASS-M-Typ-Satelliten ): 1,48 tGesamtlänge der Solarpanel: 7,23 mGesamtfläche der Solarpanel: 17,5 m2Elektrische Leistung der Solarpanel: 1,6 kW


GLONASS(Technische Daten)

GLONASS-Satelliten verfügen über Laser-Reflektoren, welche die Bahnvermessung mit Laser-Technik erlauben. Die Bahnvermessung wird sowohl in Russland als auch durch das DLR in Neustrehlitz durchgeführt.Das GLONASS-System bietet durch seine höhere Inklination für höhere Breitengrade eine bessere Satelliten-Abdeckung als GPS.


GALILEO

Das Raumsegment von GALILEO soll insgesamt 30 MEO-Satelliten(Mean Earth Orbiting) Satelliten umfassen, die in einer so genannten Walker-Konfiguration (27 + 3 Ersatzsatelliten = Spares) auf elliptischen Bahnen in drei Bahnebenen verteilt werden.


GALILEO(Technische Daten)

Bahnhöhe: 23.616 km Inklination: 56o.Masse des Satelliten: 625 kgStromversorgung: 1.500 WAbmessungen: 2.7 x 1.2 x 1.1 m3

Kategorie: MinisatellitDer Satellit besitzt sämtliche Standardsysteme zur Bahn-und Lagekontrolle, Thermalkontrolle, usw. Laser-Reflektor ( im Gegensatz zu GPS ), um die Bahnbestimmung auch mit Laserentfernungsmessungen zu stützten.


GALILEO(Komponenten)

Transponder, bei dem modernste Digital- und Halbleitertechnik eingesetzt wird. Atomuhren: 2 Rubidium-Atomuhren mit einer Frequenzdrift von 5·10-13 über 100 s ( Kurzzeitstabilität ) und zwei Wasserstoffmaser mit einer Frequenzdrift von 5·10-14 über 10.000 s ( Langzeitstabilität )Signalgenerator ( Navigation Signal Generation Unit ) mit Rechnereinheit, Frequenzgenerator ( FPGU ), Endverstärker ( Solid State Power Amplifier ), L-Band-Antenne.


Daten des GPS, GLONASS und GALILEO-Systems

GPS GLONASS GALILEOGroße Halbachse 26.600 km 25.500 km 23.616 km

Umlaufperiode 11 h 58 min 11 h 16 min 14 h 4 min

Bahnneigung 55o 65o 56 o

Anzahl derBahnebenen

6 ( 60o Abstand ) 3 ( 120o Abstand ) 3

Anzahl der Satelliten mind. 24 ( 3 Reserve )

24 ( geplant )( 3 Reserve )

30 ( geplant )( 3 Reserve )

Masse der Satelliten ca. 815 kg ca. 700 kg 680 kg

Datenrate derNavigationsdaten

50 Bit/s 50 Bit/s 50 Bit/s

PRN-Codes satellitenabhängig satellitenunabhängig satellitenabhängig

Frequenzen satellitenunabhängig satellitenabhängig satellitenunabhängig

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