Funktionsweise und Status Globaler Navigationssatellitensysteme (GNSS) Dr. E. Engler DLR, Institut für Kommunikation und Navigation Folie 1
Inhalt GNSS: Funktionsweise, Messprinzipien, Messfehler und Qualitätskenngrößen Operationelle GNSS(s): GPS GLONASS Zukünftige GNSS(s): Galileo COMPASS QZSS Satellitengestützte Ergänzungssysteme - Überblick Folie 2
Funktionsweise Messprinzipien Messfehler Qualitätskenngrößen Folie 3
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
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
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 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Empfangen Muster Erreicht das Integral sein Maximum, so entspricht die Verschiebung des Referenzcodes der Laufzeit modulo der Codelänge in Sekunden. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Zeitdifferenz Folie 6
Kalibrierung der Code-basierten Entfernungsmessung C/A Code (GPS) besteht aus einer Sequenz von 1023 bits, die mit einer Datenrate von 1.023 MHz/s ausgesendet werden 1 1023 1 1023 1 1023 1 ms entspricht 299,972 km 1 bit entspricht 293,05 m Kreuzkorrelationsergebnis entspricht Entfernungsmessung modulo 299,972 km, wobei Entfernungsmessungen (Erdoberfläche) über 20.000 km liegen Kalibirierung erfordert a-priori Informationen aus den Navigationsdaten: Satellitenposition aus Almanach Hand-over-Word (gekürzter Sendezeitpunkt der NAV-Daten) Folie 7
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
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 70 2000 km Höhe Troposphäre 0 70 km Höhe Störer und Mehrwegeausbreitung Empfänger HW & SW Nutzer Folie 9
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
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 3-3 -2-1 Erfüllt! 1 m 1 2 3 Alarm Limit δx / m Kontinuitätsgarantie: Wahrscheinlichkeit für einen spezifizierten Zeitraum, dass die Integritäts- und Genauigkeitsfunktionalität gewährleistet ist (99.97% = 1x in 3h) Folie 11
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 -3-2 -1 1 m 1 2 3 Alarm Limit δx / m Folie 12