Bahnen der GNSS Satelliten, die Grundlage der präzisen Erdvermessung

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1 Bahnen der GNSS Satelliten, die Grundlage der präzisen Erdvermessung Urs Hugentobler Forschungseinrichtung Satellitengeodäsie (FESG) und Physikalische Geodäsie Technische Universität München Kolloquium, 10. April 2008 Arbeitsbereich Vermessung und Geoinformation Österreichische Gesellschaft für Vermessung und Geoinformation Leopold-Franzens-Universität Innsbruck und Physikalische Geodäsie 1

2 Inhalt Einführung Positionierung mit GNSS GNSS Satellitensysteme Bahncharakteristiken Umlaufszeiten und Kommensurabilitäten Resonanzen und Manöver International GNSS Service Bahnprodukte Bahnbestimmung Strahlungsdruckmodellierung Mondschatten Satellitenorientierung und Schwungräder SLR Validierung Einfluss auf Stationskoordinaten und Geozentrum und Physikalische Geodäsie 2

3 Positionierung mit Satelliten Das bekannteste auf Satelliten beruhende Positionerungssystem ist das amerikanische GPS. NAVSTAR-GPS: Navigation System with Time and Ranging Global Positioning System. Betrieben vom US Department of Defense. Die Anforderungen waren: Ein GPS-Benutzer soll jederzeit (wetter-unabhängig) und überall auf oder nahe der Erde, ob in Ruhe oder in Bewegung seine 3-dimensionale Position, seine Geschwindigkeit und den Zeitpunkt mit extremer Genauigkeit bestimmen können. und Physikalische Geodäsie 3

4 Positionierung mit Satelliten Empfänger im Taschenformat Genauigkeit ca m und Physikalische Geodäsie 4

5 Positionierung mit Satelliten Im Auto Auf Wanderung Im Sport und Physikalische Geodäsie 5

6 Positionierung mit Satelliten Vermessung Im Bau Kataster Landwirtschaft und Physikalische Geodäsie 6

7 Positionierung mit Satelliten Landesvermessung Erdvermessung und Physikalische Geodäsie 7

8 Positionierung mit Satelliten Bewegung von Wettzell und Physikalische Geodäsie 8

9 Positionierung mit Satelliten Kontinentalverschiebung und Physikalische Geodäsie 9

10 Positionierung mit Satelliten Erdbeben in Fairbanks, 3. November und Physikalische Geodäsie 10

11 Positionierung mit Satelliten Hebung von Skandinavien als Folge des Abschmelzens der Eislast nach der letzten Eiszeit 1 cm pro Jahr und Physikalische Geodäsie 11

12 Positionierung mit Satelliten Erdrotation 15 m und Physikalische Geodäsie 12

13 Positionierung mit Satelliten Gehalt freier Elektronen in der Ionosphäre und Physikalische Geodäsie 13

14 Positionierung mit Satelliten Benötigt werden mindestens 4 Satelliten zur Bestimmung der Position und Synchronisierung der Empfängeruhr. und Physikalische Geodäsie 14

15 Positionierung mit Satelliten Zur präzisen Vermessung werden Phasenmessungen verwendet. Mehrdeutigkeiten der Phasenmessungen müssen berücksichtigt werden. Es werden mehrere Messepochen benötigt. Genaueste Resultate liefern relative Positionsbestimmungen: Basislinie Neupunkt Referenzstation und Physikalische Geodäsie 15

16 Positionierung mit Satelliten Satelliten sind "Triangulationspunkte". Positioniergenauigkeit hängt auch von der Genauigkeit der Positionen der Satelliten ab. und Physikalische Geodäsie 16

17 GPS Satelliten Block II, Block IIA Block IIA Block II und Physikalische Geodäsie 17

18 GPS Satelliten Block IIR, Block IIR-M und Physikalische Geodäsie 18

19 GPS Satelliten Sechs Bahnebenen, Höhe ca km, Neigung 55 und Physikalische Geodäsie 19

20 GPS Satelliten 32 Satelliten sind gegenwärtig aktiv und Physikalische Geodäsie 20

21 GLONASS Satelliten Das russische Pendant zu GPS, betrieben vom Ministry of Defense GLONASS GLONASS-M und Physikalische Geodäsie 21

22 GLONASS Satelliten Gegenwärtig sind 16 Satelliten aktiv und Physikalische Geodäsie 22

23 Satelliten im Orbit GPS Satelliten Flohrer, 2008 und Physikalische Geodäsie 23

24 Satelliten im Orbit GLONASS Satelliten Flohrer, 2008 und Physikalische Geodäsie 24

25 Galileo Projekt von EU und ESA Mai 2003 auf Finanzierung geeinigt, PPP-Modell Juni 2004: Abkommen mit USA betreffend Modulation der Signale Mai 2007: PPP ist gescheitert, Projekt soll öffentlich finanziert werden Zusätzliche 2.5 Mia EUR müssen durch die Öffentlichkeit aufgebracht werden Gesamtkosten werden bis 2030 auf 9-12 Mia EUR geschätzt Anfang April 2008 hat die EU das Programm definitiv bewilligt Aufbau bis 2013 geplant und Physikalische Geodäsie 25

26 Galileo Schlüsselwörter: nicht-militärisches System eingebaute Integrität zertifiziertes System Interoperabilität Schlüsseltechnologie in Europa Charakteristiken: drei Frequenzen verbesserte Signale präzisere Uhren und Physikalische Geodäsie 26

27 Galileo Erster Testsatellit, GIOVE-A ist seit 28. Dez im Orbit GIOVE-B im April 2008 gestartet werden und Physikalische Geodäsie 27

28 Konstellationen Charakteristik GPS GLONASS Galileo Grosse Halbachse km km 29'600 km Umlaufperiode 11h58m 11h16m 14h04m Bahnneigung Anzahl Bahnebenen 6 (60 spacing) 3 (120 spacing) 3 (120 spacing) Anzahl Satelliten 24 (3 spares) 24 (3 spares) 30 (3 spares) Aktiv (10-Nov-07) Ungefähre Masse 880 kg, 1100 kg 1500 kg 680 kg PRN Codes satellitenabh. satellitenunabh. satellitenabh. Frequenzen satellitenunabh. satellitenabh. satellitenunabh. und Physikalische Geodäsie 28

32 Bahncharakteristiken Charakteristik GPS GLONASS Galileo Compass Bahnhöhe (km) 20'200 19'100 23'200 21'500 Bahnneigung Umlaufszeit 11h58m 11h16m 14h04m 12h53m und Physikalische Geodäsie 32

33 International GNSS Service Globales Trackingnetz, über 200 Institutionen beteiligt IGS und Physikalische Geodäsie 33

34 International GNSS Service Produkte: Trackingdaten, Satellitenbahnen, Uhrkorrekturen, Stationskoordinaten und -geschwindigkeiten, Erdrotationsparameter, differentielle Code Biases, stationsspezifische Troposphärenparameter, Ionosphärenkarten. Bahnprodukt Genauigkeit Verfügbarkeit Update GPS final < 5 cm ca. 13 Tage wöchentlich rapid < 5 cm 17 Stunden täglich ultra-rapid (obs) < 5 cm 3 Stunden 4x täglich ultra-rapid (pred) < 10 cm Echtzeit 4x täglich GLONASS final 5 cm 2 Wochen wöchentlich und Physikalische Geodäsie 34

35 International GNSS Service IGS ACC und Physikalische Geodäsie 35

36 Bahnbestimmung Alle Parameter werden in einer gemeinsamen Ausgleichung bestimmt Typische CODE Lösung: Anzahl Beobachtungen pro Tag: ca. 780'000 Anzahl Parameter für Dreitageslösung: ca. 26'000 Typische 1-Tageslösung: Parametertyp Stationskoordinaten Bahnelemente Troposphärenparameter Erdrotationaparameter Stochastische Bahnparameter Satellitenantennenoffsets Geozenterkoordinaten Satellitenantennenpatterns Mehrdeutigkeiten Total Anzahl und Physikalische Geodäsie 36

37 Bahncharakteristiken Charakteristik GPS GLONASS Galileo Compass Bahnhöhe (km) 20'200 km 19'100 km 23'200 km 21'500 km Bahnneigung Umlaufszeit 11h58m 11h16m 14h04m 12h53m Umläufe/sid.Tagen 2/1 17/8 17/10 13/7 Kommensurabilität mit Erdrotation Groundtrack wiederholt sich nach ganzer Anzahl (Stern-)Tagen und Physikalische Geodäsie 37

38 Groundtrack Repeatability Bodenspur GPS, 1 Satellit, 1 Tag und Physikalische Geodäsie 38

39 Groundtrack Repeatability Bodenspur GPS, 1 Satellit, 10 Tag und Physikalische Geodäsie 39

40 Groundtrack Repeatability Anzahl beobachtende Stationen für einen GPS Satelliten (45 Stationen) und Physikalische Geodäsie 40

41 Groundtrack Repeatability Bodenspuren für GLONASS Satelliten und Physikalische Geodäsie 41

42 Groundtrack Repeatability Bodenspur Galileo, 1 Satellit, 1 Tag und Physikalische Geodäsie 42

43 Groundtrack Repeatability Bodenspur Galileo, 1 Satellit, 10 Tage und Physikalische Geodäsie 43

44 Resonante Bahnstörungen Charakteristik GPS GLONASS Galileo Galileo alt Bahnhöhe (km) 20'200 km 19'100 km 23'200 km 23'600 km Grosse Halbachse km km 29'600 km km Umlaufszeit 11h58m 11h16m 14h04m 14h22m Umläufe/sid.Tagen 2/1 17/8 17/10 5/3 und Physikalische Geodäsie 44

45 Resonante Bahnstörungen Galileo, a=29'600 km, 17/10, mittlere Halbachse, Bahnintegration 10 Jahre und Physikalische Geodäsie 45

46 Resonante Bahnstörungen Galileo, a=29'900 km, 5/3, mittlere Halbachse, Bahnintegration 10 Jahre und Physikalische Geodäsie 46

47 Resonante Bahnstörungen GPS, a=26'600 km, 2/1, mittlere Halbachse, Bahnintegration 10 Jahre und Physikalische Geodäsie 47

48 Resonante Bahnstörungen Resonante Bahnstörungen bei GPS durch Potentialterme 32 und Physikalische Geodäsie 48

49 Bahnmanöver Mittlere Halbachse für GPS PRN 25 und Physikalische Geodäsie 49

50 Bahnmanöver Anzahl Manöver pro GPS Satellit im Zeitraum Jan Jun Wang 2007 und Physikalische Geodäsie 50

51 Bahnmanöver Geschwindigkeitsänderung pro Manöver Wang 2007 und Physikalische Geodäsie 51

52 Bahnmanöver Geographische Verteilung der Manöver Wang 2007 und Physikalische Geodäsie 52

53 Bahnstörungen Störung für GNSS Satelliten Erdanziehung. Abplattung. Mondanziehung. Sonnenanziehung. Höhere Terme im Erdpotential Direkter Strahlungsdruck... längs Solarpanelachse.. Erdschatten Mondschatten Festerdegezeiten Allgemeine Relativität.. Ozeangezeiten Beschleunigung m/s Bahnfehler nach einem Tag m m m. 900 m. 300 m. 100 m. 6 m m m. 0.3 m. 0.3 m m. und Physikalische Geodäsie 53

54 Bahnstörungen Störung für GNSS Satelliten Erdanziehung. Abplattung. Mondanziehung. Sonnenanziehung. Höhere Terme im Erdpotential Direkter Strahlungsdruck... längs Solarpanelachse.. Erdschatten nicht modelliert Mondschatten nicht modelliert Festerdegezeiten Allgemeine Relativität.. Ozeangezeiten Beschleunigung m/s Bahnfehler nach einem Tag m m m. 900 m. 300 m. 100 m. 6 m m m. 0.3 m. 0.3 m m. und Physikalische Geodäsie 54

55 Bahnstörungen Störung für GNSS Satelliten Direkter Strahlungsdruck... längs Solarpanelachse.. Festerdegezeiten Ozeangezeiten Venus (U. Konjunktion).. Jupiter (Opposition). Mars (Opposition) Beschleunigung m/s Bahnfehler nach einem Tag 100 m. 6 m. 0.3 m m m m m. Allgemeine Relativität: Schwarzschild desitter Lense-Thirring m m m. und Physikalische Geodäsie 55

56 Mondschatten Halbschatten des Mondes läuft bei Neumond in ca. 15 Stunden über die GNSS Konstellation. Verursacht eine partielle Sonnenfinsternis. Reduziert somit den direkten Strahlungsdruck der Sonne. und Physikalische Geodäsie 56

57 Mondschatten Partielle Verfinsterung der Sonne und Physikalische Geodäsie 57

58 Mondschatten Einfluss auf die GNSS Bahnen und Physikalische Geodäsie 58

59 Strahlungsdruck Schwer modellierbar, da er abhängt von Grösse und Form des Satelliten, Oberflächeneigenschaften, wie Reflektions-, Streu- und Absorptionsvermögen der einzelnen Flächen, Orientierung des Satelliten in Bezug zur Sonne ("attitude") Ziebart et al, 2005 und Physikalische Geodäsie 59

60 Strahlungsdruck Rock 42 T a priori Strahlungsdruckmodell für GPS Satelliten: ( f e + f ) M a = 10 5 N e X X Z Z / Block I f f M X Z I = 4.55 sin α sin(2α + 0.9) 0.06 cos(4α ) = 4.54 cosα + sin(2α 0.3) 0.03 sin(4α ) = kg Block II, IIA M M f f X Z II IIA = 8.96 sin α sin(3α ) sin(5α ) 0.07 sin(7α ) = 8.43 cosα = 880 kg = 975 kg Block IIR M f f X Z IIR = 11.0 sin α 0.2 sin(3α ) sin(5α ) = 11.3 cosα + 0.1cos(3α ) cos(5α ) = 1100 kg und Physikalische Geodäsie 60

61 Strahlungsdruck Die Orientierung des Satelliten ist gegeben durch die Bedingungen: (i) (ii) die Antenne muss immer zum Zentrum der Erde zeigen, die Solarpanels müssen immer senkrecht zur Sonne ausgerichtet sein. Der Satellit realisiert dies durch dauernde Rotation um seine z-achse (yaw- Manöver) und Schwenken der Solarpanels um die y-achse während dem Umlauf um die Erde. Sonne Erde und Physikalische Geodäsie 61

62 Strahlungsdruck Die Drehungen des Satelliten werden durch Schwungräder erzeugt. Die Orientierung des Satelliten zur Erde und zur Sonne wird durch Sensoren gemessen, die Orientierung wird autonom gesteuert. Differenzstrom = 0 Differenzstrom > 0 und Physikalische Geodäsie 62

63 Satellitenrotation im Erdschatten Was macht der Satellit im Erdschatten? Block II und Block IIA Satelliten beginnen die Sonne zu suchen und drehen sich mit maximaler Rate (0.12 /sec) um die z-achse. Nach dem Wiedereintritt ins Sonnenlicht dreht sich der Satellit um die z-achse, bis die korrekte Orientierung wieder erreicht wird, was bis zu 30 Minuten dauern kann. Block IIR Satelliten "wissen" dass es einen Erdschatten gibt und berechnen die korrekte Orientierung im Schatten. Die Fehlorientierung der Block II/IIA Satelliten hat einen Einfluss auf die Position der Satellitenantenne sowie auf den Strahlungsdruck nach Wiedereintritt ins Sonnenlicht. Dadurch verschlechtert sich die Bahngenauigkeit für Block II/IIA Satelliten, welche durch den Schatten laufen, wenn das Fehlverhalten der Satelliten nicht korrekt modelliert wird. und Physikalische Geodäsie 63

64 Satellitenrotation im Erdschatten Antenne ist für Block II/IIA Satelliten nicht zentrisch zur yaw-achse. Dreht der Satellit um die yaw-achse, so bewegt sich die Antenne im Kreis. Dies zeigt sich in den Residuen. Block II und Physikalische Geodäsie 64

65 Satellitenrotation im Erdschatten und Physikalische Geodäsie 65

68 Schwungräder GPS Satelliten tragen vier motorisierte Schwungräder. Änderung der Drehraten führt zu einer Drehung des Satelliten (Drehimpulserhaltung). Kompensation der auf den Satelliten wirkenden Drehmomente hat zur Folge, dass die Schwungräder mit immer höherer Drehrate rotieren müssen. Violet et al, 1999 und Physikalische Geodäsie 68

69 Schwungräder Periodisch werden die Schwungräder gebremst. Gleichzeitig werden Steuerdüsen oder Magnetorkers aktiviert, damit sich der Satellit nicht unkontrolliert zu drehen beginnt. Diese sog. Momentum-Dump-Manöver beeinflussen die Bahn. Die Bahn des Satelliten ist am Tag eines solchen Manövers schlecht modellierbar. Beim Ausfall eines Schwungrades aus, so übernehmen die drei restlichen dessen Aufgaben. Fällt ein zweites Schwungrad aus, so geht der Satellit entweder verloren oder die yaw-manöver können mit Steuerdüsen unterstützt werden (je nachdem, welche Schwungräder übrigbleiben. In einem solchen Fall lässt sich die Bahn nur schwer modellieren (z.b. PRN29). und Physikalische Geodäsie 69

70 "Reparatur" von PRN 23 und Physikalische Geodäsie 70

71 Bahnqualität als Funktion der Zeit Orbit Fit RMS der CODE GPS Orbits und Physikalische Geodäsie 71

72 SLR Validierung von GNSS Satellitenbahnen Zwei der GPS Satelliten (PRN 5 und PRN 6), alle GLONASS sowie in Zukunft alle Galileo Satelliten tragen Laser-Retroreflektoren. Damit kann die Genauigkeit der Bahnen dieser Satelliten unabhängig überprüft werden. GPS Laser Reflektor Array Schreiber HTSI und Physikalische Geodäsie Schreiber 72

73 SLR Validierung von GNSS Satellitenbahnen G05 G06 Urschl, 2006 und Physikalische Geodäsie 73

74 SLR Validierung von GNSS Satellitenbahnen GLONASS 03 GLONASS 22 GLONASS 24 Urschl, 2006 und Physikalische Geodäsie 74

75 SLR Validierung von GNSS Satellitenbahnen Resultate der Validierung der CODE GNSS Bahnen (Flohrer 2008) Satellit Standardabweichung Offset Anzahl Residuen G cm 3.5 cm 11'400 G cm 3.8 cm 10'900 R cm 1.0 cm 17'600 R cm 0.4 cm 21'000 R cm 0.3 cm 12'600 R cm 0.5 cm 3'200 und Physikalische Geodäsie 75

76 SLR Validierung von GNSS Satellitenbahnen Neues Koordinatensystem, bezüglich Sonnenposition 0 u Urschl, 2006 und Physikalische Geodäsie 76

77 SLR Validierung von GNSS Satellitenbahnen Residuen für GPS Satelliten in diesem sonnenfixen Koordinatensystem Flohrer, 2008 und Physikalische Geodäsie 77

78 SLR Validierung von GNSS Satellitenbahnen Verwendung eines anderen Strahlungsdruckmodells zur Bahnbestimmung Flohrer, 2008 und Physikalische Geodäsie 78

79 SLR Validierung von GNSS Satellitenbahnen Residuen für GLONASS Satelliten Flohrer, 2008 und Physikalische Geodäsie 79

80 Spektrum von Stationskoordinaten-Zeitserien Spektrum von Koordinatenzeitserien von IGS Stationen 10 Jahre Daten, Spektren gemittelt über ca. 100 Stationen 350 1/6 days 1/Jahr 2/Jahr 3/Jahr4/Jahr 6/Jahr Ray, 2006 und Physikalische Geodäsie 80

81 Präzession der GPS-Bahnebenen Infolge der Erdabplattung präzedieren die GPS-Bahnebenen rückwärts. Die Knotendrehung kann mit folgender Formel berechnet werden Ω& 10.0 /Tag 7 2 a (1 a e cos i e 2 ) 2 Resultat: 0.04 /Tag 14.3 /Jahr Die Position der Sonne relativ zu einer Bahnebene wiederholt sich also nach rund 352 Tagen, dem sogenannten "drakonitischen GPS Jahr". und Physikalische Geodäsie 81

82 Präzession der GPS-Bahnebenen nach 350 Tagen und Physikalische Geodäsie 82

83 Zeitserie der Z-Komponente des Geozentrums Das "Geozentrum" ist das Massenzentrum der gesamten Erde, inklusive Ozean und Atmosphäre. Mit Satelliten kann die Lage des Geozentrums bestimmt werden. GNSS-Station hingegen definieren ein krustenfestes Referenzsystem, dessen Nullpunkt sich gegenüber dem Geozentrum bewegen kann, z.b. durch Massenumlagerungen (Ozean, Atmosphäre) und Deformationen der Kruste (Loading). Mit GPS (und SLR) wird die Position des Geozentrums als Funktion der Zeit gemessen. und Physikalische Geodäsie 83

84 Zeitserie der Z-Komponente des Geozentrums und Physikalische Geodäsie 84

88 Zusammenfassung GPS und in Zukunft GNSS spielt eine prominente Rolle bei der Navigation, Positionierung und Erdvermessung. Genaue Orbits sind unerlässlich, um die Messgenauigkeit der Phase auch für grosse Basislinien auszuschöpfen. IGS Orbits haben eine Genauigkeit von wenigen Zentimetern, wie unabhängige Validierung mit SLR zeigt. Auf diesem Genauigkeitsniveau spielt eine ausgefeilte Orbitmodellierung eine zentrale Rolle. Die Modellierung des Strahlungsdruckes erfordert eine genaue Kenntnis der Orientierung der Satelliten und der Oberflächenbeschaffenheiten. Probleme in der Orbitmodellierung hinterlassen bei der heutigen Messgenauigkeit ihre Spuren in den Stationskoordinaten und in den Geozentrumskoordinaten. Weitere Modellverbesserungen sind nötig und in Arbeit und Physikalische Geodäsie 88