Satellitenortung und Navigation

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1 Werner Mansfeld Satellitenortung und Navigation Grundlagen, Wirkungsweise und Anwendung globaler Satellitennavigationssystenne 3., überarbeitete und aktualisierte Auflage Mit 220 Abbildungen und 65 Tabellen PRAXIS VIEWEG+ TEUBNER

2 VII Vorwort V 1 Grundlagen Einführung Grundprinzip kooperativer Funkortungssysteme Orten durch Messung des Winkels in einer Ebene Orten durch Messung der Entfernung Orten durch Messung der Entfernungsdifferenz Orten durch Messung der Entfernungsänderung Übersicht zur Konzeption von Satellitenortungssystemen Allgemeine Parameter Verwendete Ortungsverfahren Satellitenbahn Keplersche Gesetze Bahnparameter Sichtbarkeitsbereich Bezugssysteme und Koordinaten Kartesisches Koordinatensystem Vereinbartes raumfestes Bezugssystem Vereinbartes erdfestes Bezugssystem Elliptisches Bezugssystem Geoid Geodätisches Weltsystem Zeitsysteme Sternzeit und Weltzeit Dynamische Zeit Atomzeit Koordinierte Weltzeit UTC Frequenz- und Zeitnormale Quarzoszillatoren Atomfrequenznormale Elektromagnetische Wellen Struktur der Welle Ausbreitungsgeschwindigkeit Frequenzbereiche für Satellitenortungssysteme Richtantennen Ausbreitungserscheinungen Freiraumausbreitung Reflexion Brechung (Refraktion) in der Troposphäre und Ionosphäre Beugung Absorption Streuung Wellenarten Beurteilung der zu wählenden Frequenz 68

3 VIII 1.10 Informationsübertragung Verfahren zur Übertragung und Gewinnung der Ortungsinformation Formen des Basisbandsignals Multiplexverfahren Modulation des hochfrequenten Trägers Spezielle Übertragungsverfahren Frequenzumsetzung Doppler-Frequenzverschiebung Fehlermaße in der Ortung Fehlerarten Fehlermaße der Standlinie Fehlermaße des Standortes Fehlerangaben bei der Ortung mit Satellitensystemen 96 2 Satellitensysteme für Ortung und Navigation TRANSIT Einführung Systembestandteile Ortungsverfahren Genauigkeit und Fehlerursachen Perspektive Cikada NAVSTAR-GPS GLONASS GALILEO Compass/Beidou EUTELTRACS Einführung Systembestandteile Ortungsverfahren INMARSAT Spezielle Satellitenortungssysteme Starfix SECOR DORIS PRARE ARGOS Global Positioning System (GPS) Einführung Segmente des Systems Raumsegment Bodensegment (Kontrollsegment) Nutzersegment Satellitensignale Übersicht Hochfrequenz-Träger Ortungssignale Navigationsmitteilung Sendesignale 129

4 IX GPS-Systemzeit Verfügte Veränderungen von GPS-Informationen Leistungsbilanz der Funkverbindung zwischen Satellit und Nutzer Messvorgang - Empfang und Aufbereitung der Satellitensignale Erfassen der Satellitensignale Korrelationsfunktion Grundkonzeption der GPS-Empfänger Messsignal-Verarbeitung und Auswertung Beobachtungsgrößen Auswertung der Messgrößen Genauigkeit und genauigkeitsbeeinflussende Faktoren Fehlermaße Fehler und Fehlerursachen bei der Messung der Pseudoentfemung Fehler und Fehlerarsachen durch hochfrequente Störungen Geometrisch bedingte Positionsfehler Fehlerübersicht Sichtbarkeit und Verfügbarkeit Begriffsbestimmung Sichtbarkeit der GPS-Satelliten Verfügbarkeit der GPS-Satelliten Auswirkung der Verringerung der Anzahl der verfügbaren Satelliten Integrität Unterstütztes GPS (A-GPS) Nachteile des gebräuchlichen GPS Wirkungsprinzip von A-GPS Mitwirkung der Betreiber von Mobilfunknetzen Übersicht zu der mit GPS-Satelliten Block II erzielbaren Genauigkeit Genauigkeit bei GPS Genauigkeit bei Differenzial-GPS (DGPS) Modernisierung von GPS Zielstellung und Umfang Struktur und Inhalt der Dienste Modernisierung der Satelliten Block II und Block III Technischen Ausführung und Anwendungen Modernisierung des Bodensegmentes (Kontrollsegment) Erwartete Ergebnisse der Modernisierung GLONASS Einführung Segmente des Systems Raumsegment Bodensegment (Kontrollsegment) Nutzersegment Satellitensignale Hochfrequenz-Träger Ortungssignale Navigationsmitteilung Sendesignale Leistungsbilanz Messvorgang und Messsignalverarbeitung 233

5 X 4.5 Genauigkeit Kombinierte Nutzung von GLONASS und GPS Vergleich von GPS und GLONASS Ergebnisse der kombinierten Nutzung von GPS und GLONASS Weiterentwicklung von GLONASS Allgemeine Zielstellungen Frequenzbereich der neuen GLONASS-Satelliten GALILEO Einführung Technische Forderungen Allgemeine Technische Forderungen Grundkonzeption Systemarchitektur Raumsegment Bodensegment Nutzersegment GALILEO-Dienste (Service) Dienste Signale und Frequenzen Unterstützung des Such-und Rettungsdienstes Versuchssatelliten zu GALILEO GATE GALILEO - Zeitplan Compass/Beidou Einführung Beidou Satelliten Typ Beidou Satellitenortungssystem Beidou Satellitenortungssystem COMPASS (Compass Navigation Satellite System) Systemkonzeption System-Dienste Frequenzen und Signale COMPASS-Testsatellit Genauigkeit von COMPASS Planung zur Signalveränderung im L-Band-Bereich Regionale Satelliten-Navigationssysteme Grundprinzip regionaler Systeme QZSS in Japan Konzeption Segmente des Systems Frequenzen und Signale Stand der Entwicklung Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS) Konzeption Segmente des Systems Frequenzen und Signale Beurteilung 282

6 XI 8 Ergänzungen zu GPS, GLONASS und anderen Satelhtenortungssystemen Differenzial-Messverfahren Systeme der Differenzial-Messverfahren bei GPS (DGPS) Differenzial verfahren zur hochgenauen Entfern ungs- und Positionsbestimmung mit der Träger-Phasen-Messung Referenzstationsdienste des Vermessungswesens DGPS-Referenzstationen verschiedener Dienste des Verkehrswesens Weitbereich-DGPS (WADGPS) Pseudolit Pseudoliten als zusätzliche Satelliten zu den umlaufenden GPS-Satelliten Pseudoliten als selbständige Einrichtung Integritätsprüfung Empfängerautonome Integritätsprüfung (RA1M) GPS-Integritätskanal Systeme zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von GPS für die Luftfahrt (Augmentation-System) Local Area Augmentation System (LAAS) Wide Area Augmentation System (WAAS) EGNOS Einführung Systembestandteile und Funktionsprinzip Navigationsmitteilungen von EGNOS Auswertung der EGNOS-Daten Erprobung und Operationsbereitschaft Übersicht zur zivilen Anwendung der Satelliten Ortungsund -Navigationssysteme GPS-Anwendung in der zivilen Luftfahrt Einsatzbedingungen Einsatzempfehlungen für Landeanflug Integration der Hauptfunktionen C, N, S Bordempfangsgeräte Markt GPS-Anwendung in der Seefahrt Einsatzbedingungen Bordempfangsgerät Markt GPS-Anwendung im Straßenverkehr Einsatzbedingungen Aufgabenstellung und Lösungen Markt Anwendung von GPS im Vermessungswesen Aufgabenbereiche für das Vermessungswesen mit Hilfe von GPS Messverfahren Referenzstationsnetz in der Bundesrepublik Deutschland Kartographie Assisted GPS (A-GPS) 341

7 XII 9.6 Sonstige Anwendungsbereiche der Satelliten-Ortungsund -Navigationssysteme Wissenschaft und Forschung Wirtschaft und Industrie Land- und Forstwirtschaft Nachrichtentechnik Touristik Informationsquellen Institutionelle Quellen International GPS-Service (IGS) Bundesamt für Kartographie und Geodäsie Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen (AdV) Orbital Information Group Deutsche Gesellschaft für Ortung und Navigation Internet als ergänzende Informationsquelle 347 Anhang 351 Formelzeichen 351 Abkürzungen 354 Literaturverzeichnis 360 Sachwortverzeichnis 373