Galileo Herausforderung und Gewinn für die geodätische Anwendung

Transkript

1 Galileo Herausforderung und Gewinn für die geodätische Anwendung Urs Hugentobler Forschungseinrichtung Satellitengeodäsie und Geodätische Geodäsie Technische Universität München, 13. November 007 und Physikalische Geodäsie 1

2 Inhalt Einführung Bahncharakteristiken Signale Positionierung Bahnmodellierung Schlussbemerkungen und Physikalische Geodäsie

3 Galileo Projekt von EU und ESA Mai 003 auf Finanzierung geeinigt, PPP-Modell Juni 004: Abkommen mit USA betreffend Modulation der Signale Mai 007: PPP ist gescheitert, Projekt soll öffentlich finanziert werden Zusätzliche.5 Mia EUR müssen durch die Öffentlichkeit aufgebracht werden Gesamtkosten werden bis 030 auf 9-1 Mia EUR geschätzt Aufbau bis 013 geplant und Physikalische Geodäsie 3

4 Galileo Schlüsselwörter: nicht-militärisches System eingebaute Integrität zertifiziertes System Interoperabilität Schlüsseltechnologie in Europa Charakteristiken: drei Frequenzen verbesserte Signale präzisere Uhren und Physikalische Geodäsie 4

5 Galileo Erster Testsatellit, GIOVE-A ist seit 8. Dez. 005 im Orbit Ziele: Sicherung der Frequenzen Validierung der Schlüsseltechnologien Untersuchung des Strahlungsumfeldes GIOVE-B soll Anfang 008 gestartet werden GIOVE-B soll auf drei Frequenzen gleichzeitig senden und Wasserstoffmaser mitführen. und Physikalische Geodäsie 5

6 Galileo Das Bodensegment wird aus rund 40 Galileo Sensor Stations (GSS) gebildet GGSP, 007 und Physikalische Geodäsie 6

7 Konstellationen Charakteristik GPS GLONASS Galileo Grosse Halbachse km km 9'600 km Umlaufperiode 11h58m 11h16m 14h04m Bahnneigung Anzahl Bahnebenen 6 (60 spacing) 3 (10 spacing) 3 (10 spacing) Anzahl Satelliten 4 (3 spares) 4 (3 spares) 30 (3 spares) Aktiv (10-Nov-07) 3 1 (+ commiss.) 1 Ungefähre Masse 880 kg, 1100 kg 1500 kg 680 kg PRN Codes satellitenabh. satellitenunabh. satellitenabh. Frequenzen satellitenunabh. satellitenabh. satellitenunabh. und Physikalische Geodäsie 7

11 Bahncharakteristiken Charakteristik GPS GLONASS Galileo Compass Bahnhöhe (km) 0'00 19'100 3'00 1'500 Bahnneigung Umlaufszeit 11h58m 11h16m 14h04m 1h53m Umläufe/sid.Tagen /1 17/8 17/10 13/7 und Physikalische Geodäsie 11

12 Globale Abdeckung h Pol h Aeq und Physikalische Geodäsie 1

13 Globale Abdeckung Charakteristik GPS GLONASS Galileo Compass Bahnhöhe (km) 0'00 19'100 3'00 1'500 Bahnneigung (deg) Umlaufszeit 11h58m 11h16m 14h04m 1h53m Umläufe/sid.Tagen /1 17/8 17/10 13/7 h Pol h Aeq und Physikalische Geodäsie 13

14 Groundtrack Repeatability Charakteristik GPS GLONASS Galileo Compass Bahnhöhe (km) 0'00 19'100 3'00 1'500 Bahnneigung (deg) Umlaufszeit 11h58m 11h16m 14h04m 1h53m Umläufe/sid.Tagen /1 17/8 17/10 13/7 h Pol h Aeq und Physikalische Geodäsie 14

15 Groundtrack Repeatability Bodenspur GPS, 1 Satellit, 1 Tag und Physikalische Geodäsie 15

16 Groundtrack Repeatability Bodenspur GPS, 1 Satellit, 10 Tage und Physikalische Geodäsie 16

17 Groundtrack Repeatability Bodenspur Galileo, 1 Satellit, 1 Tag und Physikalische Geodäsie 17

18 Groundtrack Repeatability Bodenspur Galileo, 1 Satellit, 10 Tage und Physikalische Geodäsie 18

19 Groundtrack Repeatability Anzahl beobachtende Stationen für einen GPS Satelliten (45 Stationen) und Physikalische Geodäsie 19

20 Groundtrack Repeatability Anzahl beobachtende Stationen für einen Galileo Satelliten (45 Stationen) und Physikalische Geodäsie 0

21 Resonante Bahnstörungen Resonante Störungen in der Halbachse durch Potentialterme des Erdschwerefeldes bis 9x9 (Kaula, 1966) System GPS Galileo 5/3 Potentialterm Max. Drift in a [m/d] und Physikalische Geodäsie 1

22 Resonante Bahnstörungen Resonante Bahnstörungen bei GPS durch Potentialterme 3 und Physikalische Geodäsie

23 Resonante Bahnstörungen Resonante Störungen in der Halbachse durch Potentialterme des Erdschwerefeldes bis 9x9 (Kaula, 1966) System GPS Galileo 5/3 Potentialterm Max. Drift in a [m/d] und Physikalische Geodäsie 3

24 Resonante Bahnstörungen Galileo, a=9'600 km, 17/10, mittlere Halbachse, Bahnintegration 10 Jahre und Physikalische Geodäsie 4

25 Resonante Bahnstörungen Galileo, a=9'900 km, 5/3, mittlere Halbachse, Bahnintegration 10 Jahre und Physikalische Geodäsie 5

26 Resonante Bahnstörungen GPS, a=6'600 km, /1, mittlere Halbachse, Bahnintegration 10 Jahre und Physikalische Geodäsie 6

27 Bestimmung subtäglicher Erdrotationsparameter GPS Bahnmodellierungsfehler korrellieren mit subtäglichen Termen Im täglichen und halbtäglchen Gezeiten- Frequenzband Galileo Compass GPS Glonass IERS Conventions 003 Urschl 006 und Physikalische Geodäsie 7

28 Bestimmung subtäglicher Erdrotationsparameter Formale Fehler subtäglicher Terme im täglichen Frequenzband und Physikalische Geodäsie 8

29 Bestimmung subtäglicher Erdrotationsparameter Formale Fehler subtäglicher Terme im täglichen Frequenzband Urschl 006 und Physikalische Geodäsie 9

30 Galileo Signale Galileo OS SIS ICD, 006 und Physikalische Geodäsie 30

31 Galileo Signale Galileo Trägerfrequenzen GPS Trägerfrequenzen E1 E6 E5 E5a E5b L1 L L MHz MHz MHz MHz MHz MHz MHz MHz 154 * 10.3 MHz 15 * 10.3 MHz * 10.3 MHz 115 * 10.3 MHz 118 * 10.3 MHz 154 * 10.3 MHz 10 * 10.3 MHz 115 * 10.3 MHz und Physikalische Geodäsie 31

32 Galileo Signale Signale von GIOVE-A Simsky et al., 006 und Physikalische Geodäsie 3

33 Ionosphärenfreie Linearkombination Drei Frequenzen: Drei verschiedene Möglichkeiten, eine ionosphärenfreie Linearkombination zu bilden. Ionosphärenfreie Linearkombination, welche Terme proportional f und f 3 gleichzeitig eliminiert. Dreifrequenz-Linearkombination, welche Terme proportional f eliminiert und das Rauschen minimiert. Kombination κ 1 κ κ 3 Noise HOI E1-E *.7 * 0.75 E1-E * 3.5 * 0.68 E6-E * 10.1 * 0.56 E1-E6-E * und Physikalische Geodäsie 33

34 Ionosphärenfreie Linearkombination Rauschen der ionosphärenfreien 3-Frequenz-Linearkombination und Physikalische Geodäsie 34

35 Ionosphärenfreie Linearkombination Rauschen der ionosphärenfreien 3-Frequenz-Linearkombination und Physikalische Geodäsie 35

36 und Physikalische Geodäsie 36 Mehrdeutigkeiten Linearkombinationen mit ganzzahligen Koeffizienten n 1, n, n 3 der Phasenbeobachtungen in Zyklen erhält die Ganzzahligkeit der Mehrdeutigkeiten Wellenlänge Einfluss der Ionosphäre L n L n L n L n n n λ λ λ + + = f n f n f n c n n n + + = λ λ λ I f f n f n f n I n n n n n n + + =

37 Mehrdeutigkeiten Wellenlänge als Funktion von n 1, n, n 3 für E1, E6, E m und Physikalische Geodäsie 37

38 Mehrdeutigkeiten Multiplikator des Ionosphäreneffektes als Funktion von n 1, n, n I λ/λ und Physikalische Geodäsie 38

39 Mehrdeutigkeiten Kombinationen (-1,4,3) (-1,3,-) (0,1,-1) I λ/λ und Physikalische Geodäsie 39

40 Mehrdeutigkeiten Beispiel: Linearkombination -1, 4, -3 liefert N -1,4,-3 = N N 6 3 N 5 (λ = 8.4 m) Linearkombination 0, 1, -1 (Widelane) liefert N 0,1,-1 = N 6 N 5 (λ = 3.4 m) Damit N 5 = N 1 N -1,4, N 0,1,-1 Eingesetzt in die ionosphärenfreie Linearkombination von L 1 und L 5 ergibt Narrowlane Mehrdeutigkeit mit λ = 10.8 cm und Physikalische Geodäsie 40

41 Galileo Signale Galileo OS SIS ICD, 006 und Physikalische Geodäsie 41

42 und Physikalische Geodäsie 4 Galileo Signale ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) E kj GE GE kj G E j E k E G E j E k G G j G k G E j E k E G j G k G E j E E k E G j G G k G GE kj N N N N N N N N N N N N N N N N b + = + = = + = + λ λ λ λ λ λ λ λ λ λ λ λ Lösen von Mehrdeutigkeiten über die Systeme Behandlung eines Single-Difference Ambiguity-Terms

43 Galileo-Uhren Passiver Wasserstoff-Maser Stabilität wichtig für Navigation (Prädizierbarkeit) Modellierung der Uhr als Funktion der Zeit? und Physikalische Geodäsie 43

44 Positionierung Precise Point Positioning, Positionierungsfehler, Simulation Heinze et al., 007 und Physikalische Geodäsie 44

45 . GPS/GLONASS Systemkomponenten.3 Das Control Segment Ungleichmässige Satellitenverteilung Heinze et al., 007 und Physikalische Geodäsie 45

46 Positionierung Precise Point Positioning, ungleichmässige Satellitenverteilung Heinze et al., 007 und Physikalische Geodäsie 46

47 Reference Frame Formaler Fehler der Stationsgeschwindigkeit als Funktion der Zeit und Physikalische Geodäsie 47

48 Reference Frame Formaler Fehler der Stationsgeschwindigkeit als Funktion der Zeit Antennenwechsel und Physikalische Geodäsie 48

49 Reference Frame Formaler Fehler der Stationsgeschwindigkeit als Funktion der Zeit Antennenwechsel und Physikalische Geodäsie 49

50 Antennen-Phasenpatterns und Physikalische Geodäsie 50

51 Stationskoordinaten-Zeitserie Spektren von 10-Jahres-Koordinatenzeitserien von 100 IGS Stationen Gestackt zu einem Spektum Bahnmodellierungsproblem 350 1/6 Tage J. Ray, 006 und Physikalische Geodäsie 51

52 Geozentrum Geozentrum aus 3-Tages-GPS-Lösungen, zwei Strahlungsdruckmodelle und Physikalische Geodäsie 5

53 Geozentrum Geozentrum aus 3-Tages-GPS-Lösungen, verschoben um 365 Tage und Physikalische Geodäsie 53

54 Geozentrum Geozentrum aus 3-Tages-GPS-Lösungen, verschoben um 350 Tage 350 days und Physikalische Geodäsie 54

55 Geozentrum Bahnebenenspezifische Geozentrumskoordinaten X-Geocenter (m) Y-Geocenter (m) Z-Geocenter (m) Range ±6 cm Range ±6 cm Range ±30 cm Plane A und Physikalische Geodäsie 55

56 Geozentrum Bahnebenenspezifische Geozentrumskoordinaten X-Geocenter (m) Y-Geocenter (m) Z-Geocenter (m) Range ±6 cm Range ±6 cm Range ±30 cm Plane B und Physikalische Geodäsie 56

57 Geozentrum Bahnebenenspezifische Geozentrumskoordinaten X-Geocenter (m) Y-Geocenter (m) Z-Geocenter (m) Range ±6 cm Range ±6 cm Range ±30 cm Plane C und Physikalische Geodäsie 57

58 Geozentrum Bahnebenenspezifische Geozentrumskoordinaten X-Geocenter (m) Y-Geocenter (m) Z-Geocenter (m) Range ±6 cm Range ±6 cm Range ±30 cm Plane D und Physikalische Geodäsie 58

59 Geozentrum Bahnebenenspezifische Geozentrumskoordinaten X-Geocenter (m) Y-Geocenter (m) Z-Geocenter (m) Range ±6 cm Range ±6 cm Range ±30 cm Plane E und Physikalische Geodäsie 59

60 Geozentrum Bahnebenenspezifische Geozentrumskoordinaten X-Geocenter (m) Y-Geocenter (m) Z-Geocenter (m) Range ±6 cm Range ±6 cm Range ±30 cm Plane F und Physikalische Geodäsie 60

61 Geozentrum Streuung der bahnebenenspezifischen Geozentrumskoordinaten und Physikalische Geodäsie 61

62 Geozentrum Elevation der Sonne über der Bahnebene und Physikalische Geodäsie 6

63 SLR Residuen GPS G05 Bias -3.5 cm RMS.1 cm G06 Bias -3.8 cm RMS.6 cm Urschl et al., 006 und Physikalische Geodäsie 63

64 SLR Residuen GLONASS R03 Bias -1.0 cm RMS 4.9 cm R Bias -0.4 cm RMS 4.6 cm R4 Bias -0.3 cm RMS 5.1 cm Urschl et al., 006 und Physikalische Geodäsie 64

65 SLR Residuen SLR Residuen der GPS Satelliten, biasreduziert (cm) Urschl 006 und Physikalische Geodäsie 65

66 SLR Residuen Sonnen-orientiertes Koordinatensystem 0 u Urschl 006 und Physikalische Geodäsie 66

67 SLR Residuen SLR Residuen, ROCK a priori Strahlungsdruckmodell Urschl 006 und Physikalische Geodäsie 67

68 SLR Residuen SLR Residuen, CODE a priori Strahlungsdruckmodell Urschl 006 und Physikalische Geodäsie 68

69 Zukunft Galileo II soll präzise Zwischensatellitenmessungen erlauben "Neue Welt" für präzise Bahnbestimmung ESA 006 und Physikalische Geodäsie 69

70 Zusammenfassung und Schlussbemerkungen Galileo verbessert GPS und GLONASS. Galileo soll bis 013 aufgebaut sein. Es läuft sonst Gefahr, nur eines von mehreren globalen Satellitennavigationssysteme zu sein. Kombination mit anderen GNSS: Verbesserung besser als Wurzel-N? Stabilisierung der Lösungen durch Modellierung der Satellitenuhren? Resonante Bahnstörungen machen regelmässige Bahnmanöver nötig Eine gleichmässige Verteilung der Satelliten in der Bahn verbessert die Positionierresultate. Wechsel von GPS- zu GNSS-Antennen unterbricht Koordinatenzeitserien und beeinträchtigt das Schätzen von Stationsgeschwindigkeiten. An Referenzpunkten sollte eine GNSS-Antenne zusätzlich zur GPS-Referenzantenne installiert werden. Probleme bei der Modellierung des Strahlungsdruckes finden sich in verschiedenen Resultaten, z.b. auch Koordinatenzeitserien und Geozentrumskoordinaten. SLR ist nötig zur unabhängigen Validierung der Bahnmodellierung. und Physikalische Geodäsie 70