Funktionsweise und Status Globaler Navigationssatellitensysteme (GNSS)

Transkript

1 Funktionsweise und Status Globaler Navigationssatellitensysteme (GNSS) Dr. E. Engler DLR, Institut für Kommunikation und Navigation Folie 1

2 Inhalt GNSS: Funktionsweise, Messprinzipien, Messfehler und Qualitätskenngrößen Operationelle GNSS(s): GPS GLONASS Zukünftige GNSS(s): Galileo COMPASS QZSS Satellitengestützte Ergänzungssysteme - Überblick Folie 2

3 Funktionsweise Messprinzipien Messfehler Qualitätskenngrößen Folie 3

4 Navigationssatelliten (GPS, Glonass, Galileo) kann man sich als um die Erde bewegende Referenzpunkte vorstellen, die kontinuierlich modulierte Funksignale aussenden GNSS-basierte Positionsbestimmung Ortsbestimmung 3D - Positionsbestimmung SAT pos (t) = f (Navigationsdaten) PRN 1 Entfernung = f (Laufzeit) Zeit = System- und Empfängerzeit PRN 4 PRN3 PRN 2 Entfernung = f (Laufzeit) Globale Bestimmung X usr (t), Y usr (t), Z usr (t) Bei der dreidimensionalen Positionsbestimmung ergibt sich der Empfängerstandort als Schnittpunkt von mehreren Kugelschalen. Folie 4

5 Xusr Management von Raum und Zeit Entfernung Z Y Xsat(t) Die Angabe von Positionen erfolgt in einem vorab spezifizierten Koordinatensystem mit einem eindeutigen Zeitbezug. Die Verwendung von Navigationsdaten ermöglicht dem Empfänger, die Position jedes GNSS- Satelliten für einen bestimmten Zeitpunkt zu berechnen. (GPS: WGS 84, GPS Systemzeit) Geozentrum = Massemittelpunkt der Erde X Die Navigationsdaten werden im Bodenkontrollsegment erzeugt. Die Satellitenposition wird dabei mit Hilfe von Kepler-Elementen beschrieben. Um die Empfängerposition auf Landkarten abzubilden, ist eine Koordinatentransformation notwendig. Folie 5

6 Entfernungsmessung Range t ref =t sig +1 t ref =t sig +3 Das Produkt aus Signalcode (Empfang) und Referenz-code (Empfänger) wird über die Codelänge integriert. KKF Kodesequenz Empfangen Muster Erreicht das Integral sein Maximum, so entspricht die Verschiebung des Referenzcodes der Laufzeit modulo der Codelänge in Sekunden Zeitdifferenz Folie 6

7 Kalibrierung der Code-basierten Entfernungsmessung C/A Code (GPS) besteht aus einer Sequenz von 1023 bits, die mit einer Datenrate von MHz/s ausgesendet werden ms entspricht 299,972 km 1 bit entspricht 293,05 m Kreuzkorrelationsergebnis entspricht Entfernungsmessung modulo 299,972 km, wobei Entfernungsmessungen (Erdoberfläche) über km liegen Kalibirierung erfordert a-priori Informationen aus den Navigationsdaten: Satellitenposition aus Almanach Hand-over-Word (gekürzter Sendezeitpunkt der NAV-Daten) Folie 7

8 Entfernungsmessung - Trägerphase Das empfangene, Doppler verschobene Trägersignal wird mit der im Empfänger erzeugten Referenzfrequenz (nominal konstant) verglichen. Doppler Frequenz f Doppler (t) = f ref 1 1 c ds(t) dt Frequenzdifferenz f ref f Doppler (t) = f ref 1 c ds(t) dt t ds(t) dt Phasendifferenz ϕ(t) = ( fref fdoppler (t)) dt = dt t 0 1 λ t t 0 Unkalibriert Mehrdeutigkeit bei t 0 Präzise Wellenlänge im Zentimeterbereich z.b. λ1 ~ 19 cm Stetigkeit durch Cycle Slips unterbrochen Folie 8

9 System- und Ausbreitungsbedingte Fehleranteile Abschattung und Reflektion an Gebäuden (Signalüberlagerung) Wegverlängerung durch Brechung Jamming und Interferenzen durch andere Funksysteme Positions- und Zeitfehler des Satelliten (Nav-Daten) Ionosphäre und Plasmaspäre km Höhe Troposphäre 0 70 km Höhe Störer und Mehrwegeausbreitung Empfänger HW & SW Nutzer Folie 9

10 P Codephasenmessung Trägerphasenmessung Beobachtungsgrößen - Messmodelle ( t, f ) = R ( t) + c ( δt ( t) δt ( t) ) + d ( t, f ) + d ( t) m( t) n( t) x geo sat rec ion x tro + ( t, f x ) = Rgeo( t) + c ( δtsat ( t) δtrec ( t) ) dion ( t, f x ) + dtro ( t) λ( f x ) N( t) εϕ ϕ + Messgröße Messmodell Positionsbestimmung Disat ( t) = F{ P ( t, f ), ϕ ( t, f )} = isat x isat x isat = 1,2..Nsat Nsat ( X ) 2 ( ) 2 ( ) 2 isat X rec + Yisat Yrec + Zisat Zrec + c δtrec 4 Position und Empfängeruhrenfehler Folie 10

11 Genauigkeit, Integrität und Kontinuität Genauigkeitsfunktionalität: Einhalten des erlaubten Grenzwertes für Positionsfehler (95%) Mögliche Ursachen:? GNSS Nicht erfüllt! δy / m Selbsterkennung durch System Alarm an Nutzer innerhalb ToA Tolerierbarer Fehler? Ausbreitungsfehler und Störungen? Empfänger Integritätsfunktionalität: Detektion von systembedingten Genauigkeitsverletzungen und rechtzeitige Information der Nutzer GALILEO / GPS Erfüllt! 1 m Alarm Limit δx / m Kontinuitätsgarantie: Wahrscheinlichkeit für einen spezifizierten Zeitraum, dass die Integritäts- und Genauigkeitsfunktionalität gewährleistet ist (99.97% = 1x in 3h) Folie 11

12 Integritätsrisiko: Erlaubter Fehler in systembezogener Integritätsbestimmung. 10-5/3h ~ 1x in 30 h Nicht detektierte Ungenauigkeit Fehlalarm GNSS Integrität δy / m Integrität GNSS-basierter Ortung ist für Safety of Life Anwendungen ist letztendlich nutzerseitig in Echtzeit unter Beachtung aller Komponenten zu ermitteln Ausbreitungsfehler und Empfänger: Zusätzlicher Fehler, der den Positionsfehler erhöht m Alarm Limit δx / m Folie 12