IHK. Satellitennavigation. GPS, GLONASS und GALILEO. von Dr.-Ing. Gerhard H. Schildt o.univ.-professor an der Technischen Universität Wien

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1 Satellitennavigation GPS, GLONASS und GALILEO von Dr.-Ing. Gerhard H. Schildt o.univ.-professor an der Technischen Universität Wien IHK V M i INFORMATIONSTECHNIK INFO

2 INHALTSVERZEICHNIS Vorwort 5 1 Physikalische Grundlagen der Satellitennavigation Das Gravitationsgesetz Die Keplerschen Gesetze Der Ellipsensatz (1. Keplersches Gesetz) Der Flächensatz (2. Keplersches Gesetz) Unilaufzeiten (3. Keplersches Gesetz) Satellitenumlaufbahnen Low-Earth-Orbit-Satelüt Medium-Earth-Orbit-Satellit Higbly-Elliptical-Orbit-Satellit G (»stationärer Satellit Satellitenbahnelemente Darstellung empfangener Satelliten beim GPS Ortungsverfahren Uhrzeitführung Anforderungen an satellitengcstützte Ortungssysteme Übersicht über bestehende Satellitennavigationssysteme Aufbau des GPS Aufbau des GLONASS Aufbau des GALILEO-Systems Daten des GPS, GLONASS und GALILEO-Systems 41 2 Global Positioning System Einführung Systemkonfiguration Das Bodensegment _ Das Raumsegment Umlaufbahnen Das Nutzersegment GPS-Signalstruktur Signale der Satelliten Pseudo-Zufalls-Code und PRN-Nummer Modulationsverfahren Pseudo Random Pattern Generator GPS-Signalaufbau......_ Codierung des LI Signals Codierung des L2-Signals FormelmäBige Darstellung der Codierungen Ergänzende Informationen Ephemeriden- und Almanach-Daten Militärische Vorbehalte zur Nutzung von GPS-Informationen Selective Availability (S/A) Anti-Spoonng(A/S) Empfang und Auswertung der Satellitensignale Empfang der Satellitensignale Autokorrelation in der Signalverarbeitung Relativistische Effekte 75 7

3 3 GLONASS Einführung Entwicklung und Systembeschreibung Segmente des Systems Raumsegment Kontrollsegment Nutzersegment GLONASS-Signalstruktur Signale und Frequenzen C/A- und P-Codes Weiterer Ausbau des GLONASS-Systems Vergleich GLONASS und GPS 89 4 GALILEO-System Entwicklung Status Planung und Kosten Finanzierung Managementstruktur Internationale Zusammenarbeit Phasenplan zur Errichtung des GALILEO-Systems Erste Phase (Definitionsphase) Zweite Phase (Probebetrieb) Dritte Phase (Fertigstellung) Vierte Phase (Operationeller Betrieb) Kommerzielle Anwendungen und Dienste Kommerzielle Anwendungen Geplante Dienste bei GALILEO Systembeschreibung Raumsegment Bodensegment Nutzersegment Signalstruktur Modulationsverfahren GALILEO Endgeräte Einfluss der Ionosphäre Reduktion von Mehrwege-Effekten MehrwegeeinflUsse auf Code-Beobachtungen Kombination von GPS und GALILEO Verbesserte Geometrie Fixierung mit Signalen auf drei Frequenzen Abschließende Bemerkungen 115 8

4 5. Fehlerquellen bei der Positionsbestimmung Systembedingte Fehlereinflüsse SelectiveAvai]abihty(S/A)-Mode Satellitengeometrie Einflüsse der Gravitation auf die Satellitenumlaufbahnen Uhren-Ungenauigkeit Anzahl der sichtbaren Satelliten Relativistische Effekte Ausbreitungsbedingte Fehlereinflüsse lonosphärische und troposphärische Fehlereinflüsse JJMehrwegeausbreitung _......_ Abschattung der GPS-Signale Messfehler Daten-Schnittstelle NMEA Aufbau des NMEA-Protokolls Datensätze GGA-Datensatz GLL-Datensatz GSA-Datensatz CSV-Datensatz RMC-Datensatz Berechnung der Kontrollsumme Differentielle Satellitennavigation Prinzip des DGPS Bestimmung der Korrekturgrößen Übermittlung der Korrekturgrößen Korrektur der gemessenen PseudoStrecken Anforderungen an die terrestrische Datenübertragungsstrecke Datenübertragungsraten Datenprotokoll RTCM-Header RTCM-Nachrichtentyp RTCM-Nachrichtentyp 2 bis Proprietäre Datenschnittstellen Verfahren zur Übertragung der Korrekturdaten DGPS in verschiedenen Ländern DGPS in USA DGPS in Deutschland DGPS in Österreich DGPS bei Landeanflugverfahren WAAS/EGNOS und MSAS Übersicht über Anwendungen der Satellitennavigation Zivile Anwendungen Satellitennavigation für Sehbehinderte und Blinde Zeitmesstechnik GPS-Anwendung in der Landwirtschaft Satellitennavigation in der Eisenbahnsignaltechnik 171 9

5 8.1.5 GPS in der Schifffahrt Satellitennavigation zur Ortung von Kraftfahrzeugen Search and Rescue mit Satellitennavigation Satellitennavigation in der Luftfahrt Öffentliche Anwendungen Satellitengestütztes Vermessungswesen Das satellitengestützte Maut-System in Deutschland Militärische Anwendungen Ortung im Gefechtsfeld Minenfelder im Meer Trefferquotenerhöhung Präzisionsgelenkte Munition Satellitengestützte Waffensysteme Bunkerbrecher Übersicht über militärische Ortungsgenauigkeiten Hardware GPS-Empfänger Antenne Zeitdarstellung und Sekundenimpuls Weiterführende Entwicklungen GPS Weiterentwicklungen im Raumsegment Weiterentwicklungen im Bodensegment GALILEO Wirtschaftliche Rentabilität Generelle Verbesserungen und Dienste Integrität Dienste GLONASS Weiterentwicklungen im Raumsegment Weiterentwicklungen im Bodensegment Global Navigation SateUite System Schlussbetrachtung 201 Glossar 203 Anhang 217 Literaturverzeichnis 249 Sachwortverzeichnis