Satellitenortung und Navigation

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1 Werner Mansfeld 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Satellitenortung und Navigation Grundlagen und Anwendung globaler Satellitennavigationssysteme Mit 207 Bildern und 51 Tabellen vieweg

2 VII Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen Einführung Grundprinzip kooperativer Funkortungssysteme Orten durch Messung des Winkels in einer Ebene Orten durch Messung der Entfernung Impulsverfahren CW-Verfahren Orten durch Messung der Entfernungsdifferenz Orten durch Messung der Entfernungsänderung Übersicht zur Konzeption von Satellitenortungssystemen Allgemeine Parameter Verwendete Ortungsverfahren Orten durch Messung von Winkeln Orten durch Messung der Entfernung Orten durch Messung der Entfernungsdifferenz Orten durch Messung der Entfernungsänderung 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 Rubidium-Frequenznormal Cäsium-Frequenznormal Wasserstoff-Maser-Frequenznormal Praktische Anwendung Elektromagnetische Wellen Struktur der Welle Ausbreitungsgeschwindigkeit Frequenzbereiche für Satellitenortungssysteme Richtantennen 51

3 VIII Inhaltsverzeichnis 1.9 Ausbreitungserscheinungen Freiraumausbreitung Reflexion Brechung (Refraktion) in der Troposphäre und Ionosphäre Beugung Absorption Streuung Wellenarten Beurteilung der zu wählenden Frequenz Informationsübertragung Verfahren zur Übertragung und Gewinnung der Ortungsinformation Formen des Basisbandsignals Multiplexverfahren Modulation des hochfrequenten Trägers Spektrale Spreizung Frequenzumsetzung Doppler-Frequenzverschiebung Fehlermaße in der Ortung Fehlerarten Fehlermaße der Standlinie Fehlermaße des Standortes Fehlerellipse Mittlerer Punktfehler d r Fehlerkreis (CEP) 91 2 Satellitensysteme für Ortung und Navigation TRANSIT Einführung Systembestandteile Raumsegment Kontrollsegment Nutzersegment Ortungsverfahren Genauigkeit und Fehlerursachen Perspektive CIKADA NAVSTAR-GPS GLONASS EUTELTRACS Einführung Systembestandteile Raumsegment Kontrollsegment Nutzersegment Ortungsverfahren Ortungsgenauigkeit Perspektive QASPR SECOR 108

4 Inhaltsverzeichnis IX Einführung Systembestandteile Ortungsverfahren Ortungsgenauigkeit STARFIX DORIS LAGEOS PRARE Einführung Systembestandteile Ortungsverfahren Ortungsgenauigkeit Perspektive Global Positioning System (GPS) Einführung Segmente des Systems Raumsegment Satelliten Satellitenbahn Kontrollsegment Hauptkontrollstation Monitorstationen Bodensendestationen Nutzersegment Satellitensignale Übersicht Hochfrequente Träger Ortungssignale Erzeugung der PRN-Impulsfolgen C/A-Code P-Code und P(Y)-Code Navigationsmitteilung Sendesignale GPS-Zeit Verfügte Veränderungen von GPS-Informationen Selective Availability Anti-Spoofing Leistungsbilanz der Funkverbindung zwischen Satellit und Nutzer Meßvorgang - Empfang und Aufbereitung der Satellitensignale Erfassen der Satellitensignale Korrelationsfunktion Rechteckimpuls Code mit statistisch verteilten Impulsen PRN-Impulsfolge eines Codes maximaler Länge Autokorrelationsfunktion vom C/A-Code undp(y)-code Kreuzkorrelationsfunktion und Code-Mehrfachzugriff Grundkonzeption der GPS-Empfänger Hauptkomponenten eines GPS-Empfängers 151

5 Inhaltsverzeichnis Hochfrequenzteil Signalverarbeitungseinrichtungen Einteilung der Empfängertypen Codeabhängige Empfänger Codefreie Empfänger Empfang bei Anti-Spoofing Meßsignalverarbeitung und Auswertung Beobachtungsgrößen Pseudoentfernung aus Code-Messung Bestimmung der Entfernung durch Trägerphasenmessung Entfernungsdifferenz durch Messung der Doppier- Frequenzverschiebung Auswertung der Meßgrößen Bestimmung der Entfernungen zur Ortung und Navigation Entfernungs- und Positionsbestimmung durch Trägerphasenmessung bei Mehrdeutigkeit Bestimmung der Geschwindigkeit Ermittlung der Zeitinformation Genauigkeit und genauigkeitsbeeinflussende Faktoren Fehlermaße Fehler und Fehlerursachen bei der Messung der Pseudoentfernung Fehler und Fehlerursachen im Satelliten Fehler und Fehlerursachen in der Empfangsanlage Fehler durch die Einflüsse des Ausbreitungsweges Fehler durch Mehrwegeausbreitung Fehler und Fehlerursachen durch hochfrequente Störungen Allgemein gültige Beziehungen Quantitative Betrachtung von RF-Interferenzen Schwellwert für den Nachlauf bei Interferenzen Störung durch TV-Sender Geometrisch bedingte Positionsfehler Prinzip des geometrisch bedingten Positionsfehlers Dilution of Precision (DOP) als Maß der geometrisch bedingtenortungsfehler Meß- und Rechenergebnisse Fehlerübersicht Sichtbarkeit und Verfügbarkeit Begriffsbestimmung Sichtbarkeit der GPS-Satelliten Verfügbarkeit der GPS-Satelliten Auswirkung der Verringerung der Anzahl der verfügbaren Satelliten Integrität Übersicht zu der mit GPS erzielbaren Genauigkeit Genauigkeit bei GPS Genauigkeit bei Differential-GPS 215 Ergänzungen zum Global Positioning System (GPS) Differential-GPS Grundprinzip 217

6 Inhaltsverzeichnis XI Lokales Differential-GPS Systemkonzeption des Local Area DGPS (LADGPS) Prinzip der Fehlereliminierung bei DGPS Format der Mitteilung der Korrekturdaten Einfluß der Distanz auf die Genauigkeit Referenzstationen und Referenzstationsnetze Referenzstationen des Vermessungswesens Differenzenbildung Referenzdienste im Vermessungswesen DGPS-Referenzstationen verschiedener Dienste des Verkehrswesens DGPS-Referenzstationen für die Seefahrt DGPS-Referenzstationen für die Luftfahrt DGPS-Referenzstationen für den Landverkehr Weitbereich - DGPS (WADGPS) Pseudolit Integritätsprüfung Empfängerautonome Integritätsprüfung (RAIM) GPS-Integritätskanal Wide Area Augmentation System (WAAS) Aufgabe des Systems Realisierung von WAAS Konzept Satellit Inmarsat Konstellation der Satelliten Inmarsat WAAS-Signale Anwendung von WAAS Global Navigation Satellite System (GLONASS) Einführung Segmente des Systems Raumsegment Satellitenbahnen GLONASS-Satellit Navigationssystem Kontrollsegment Nutzersegment Satellitensignale Hochfrequente Träger Ortungssignale GLONASS -C/A-Code GLONASS-P-Code Navigationsmitteilung C/A-Code-Navigationsmitteilung P-Code-Navigationsmitteilung Sendesignale Leistungsbilanz Meßvorgang und Meßsignalverarbeitung Genauigkeit Kombinierte Nutzung von GLONASS und GPS 259

7 XII Inhaltsverzeichnis Vergleich von GPS und GLONASS Ergebnisse der kombinierten Nutzung von GLONASS und GPS Weiterentwicklung von GLONASS Internationale Aktivitäten zur Weiterentwicklung der Satellitenortungs- und Satellitennavigationssysteme Allgemeine Begründung für eine Weiterentwicklung Aktivitäten in USA Berichte und Empfehlungen Maßnahmen zur technischen Entwicklung Dritte Frequenz für GPS Projekt der Sat Tech Systems Corp Aktivitäten in Europa Beschlüsse zur Strategie Laufende Arbeiten und Projekte GNSS GNSS Aktivitäten der INMARSAT Aktivitäten in Japan Übersicht zur zivilen Anwendung der Satellitensysteme GPS, GLONASS und GNSS GPS-Anwendung in der zivilen Luftfahrt Allgemeine Gesichtspunkte Einsatzbedingungen GPS für den Landeanflug Integration von CNS Bordempfangsgeräte GPS-Navigationsempfänger GARMIN GPS GPS-Bordnavigationsemfänger Trimble 2000 Approach Plus GPS-Empfängerantennen Markt GPS-Anwendung in der Seefahrt Einsatzbedingungen Bordempfangsgeräte Shipmate RS 5400 und Shipmate RS GPS/GLONASS-NavigationsempfängerMANNR-N Markt GPS-Anwendungen im Landverkehr Einsatzbedingungen Aufgabenstellung und Lösungen für den Straßenverkehr Zielführungssysteme Positionsmeldesysteme Verkehrsleitsysteme Markt Anwendung von GPS im Vermessungswesen Aufgabenbereiche für das Vermessungswesen mit Hilfe von GPS Meßverfahren Referenzstationsnetz in der Bundesrepublik Deutschland 304

8 Inhaltsverzeichnis XIII Echtzeit-Positions-Service (EPS) Echtzeit-Positionierungs-Service mit Zentimeter-Genauigkeit (HEPS) Geodätischer Präziser Positionierungs-Service (GPPS) Geodätischer Hochpräziser Positionierungs-Service (GHPS) für Postprocessing Kartographie Verfahren zur Oberflächenvermessung Verfahren zur Vermessung der Struktur des Meeresbodens Verfahren zur Bestimmung von Meerestiefen Sonstige Anwendungsbereiche der Satellitenortungs- und Navigationssysteme Wissenschaft und Forschung Wirtschaft und Industrie Land- und Forstwirtschaft Nachrichtentechnik Touristik GPS-Informationsquellen GPS-Informations- und Beobachtungssystem (Abkürzung GIBS) Aufgabenstellung Verfügbare Informationen Form der Informationserteilung Computer Bulletin Board GIBS-Newsletter Allgemeine Hinweise GPS-Bahndaten Berechnungen zum Raumsegment 311 Anhang 313 Literaturverzeichnis 327 Sachwortverzeichnis 341