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1 GPS – Global Positioning System Gehalten von: Tobias Werner Unter Leitung von: Stefan Bergstedt Hamburg den 24.01.2005.

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1 1 GPS – Global Positioning System Gehalten von: Tobias Werner Unter Leitung von: Stefan Bergstedt Hamburg den 24.01.2005

2 2 Vorschau 1.Einleitung 2. Die Segmente 2.1 Weltraumsegment 2.2 Kontrollsegment 2.3 Benutzersegment 3. Geschichtliche Übersicht

3 3 Vorschau 4. Funktionsweise 4.1 Positionsbestimmung 4.2 Ausgesendete Signale 4.3 Laufzeitmessung 4.4 Fehlerquellen 4.5 Erreichbare Genauigkeit 5. Galileo

4 4 1. Einleitung - satellitengestütztes Navigationssystem - eigentlich NAVSTAR-GPS - NAVigation System with Timing And Ranging – GPS - Ortsbestimmung eines GPS Empfängers

5 5 1. Einleitung - Feststehend - Bewegt auf der Erdoberfläche - Bewegt in niedrigen Umlaufbahnen - Kostenlose Bereitstellung an Jedermann

6 6 1. Einleitung - Leitung des US-Verteidigungsministeriums / DoD - Als nur dem Militär vorbehaltene Einrichtung geplant - Positionsbestimmung und Navigation - Waffensysteme, Kriegschiffe, Militärflugzeuge

7 7 1. Einleitung - Zivile Nutzung in Luft- und Seefahrt - Autos, Motorräder - Landvermessung - Zeitmessung

8 8 2. Die Segmente - Drei grundlegende Segmente - Spacesegment (Satelliten) - Controllsegment (Kontrollstationen) - Usersegment (GPS-Empfänger)

9 9 2. Die Segmente spacesegment Monitorstationen Haupt- kontrollstation usersegment controllsegment Verbindungs- Station

10 10 2.1 Weltraumsegment - mindestens 24 Satelliten - 21 + 3 Erzatzsatelliten - 55° Inklination

11 11 2.1 Weltraumsegment - 20 200 Kilometer Höhe - 6 Orbitalbahnen

12 12 2.1 Block I Satelliten - 11 Satelliten zwischen 1978 – 1985 - Masse von 845 kg - Solarpanels mit 400 Watt - Prototypen zur Erprobung des Systems - Keiner mehr im Dienst Quelle:NASA

13 13 2.1 Block II Satelliten - seit 1989 - Masse von 1500 kg - Solarpanels mit 750 Watt - detektieren Atomexplosionen

14 14 2.1 Block II Satelliten - Ausgelegte Betriebsdauer von 7.5 Jahren - max. 50 Watt Sendeleistung - Cäsium und Rubidium Atomuhren - Uhrenstabilität von 10 -13 s

15 15 2.1 Trägerraketen - Delta Rakete - 50 Millionen US-Dollar - 50. Satellitenstart 20.03.04

16 16 2.1 Satelliten Übersicht Block Jahr Anmerkung I 1978 II 1989 IIA 1990 (advanced) IIR 1999 (replenishment) IIR-M 2003 (modernisation) IIF 2012 (following-on) III 2014

17 17 2.2 Kontrollsegment - Alleinige Kontrolle durch US-Armee - eine Master Control Station - 4 weitere Monitorstationen

18 18 2.2 Kontrollsegment - Schriever Air Force Base

19 19 2.2 Kontrollsegment - Auswertung 24 Stunden pro Tag - schnelle Feststellung von Fehlern - 1-2 Satellitenupdates pro Tag - Ausfallsicherheit von 180 Tagen

20 20 2.3 Benutzersegment - Größe eines Handys - In Armbanduhren - mindestens 12 Kanäle

21 21 3. Geschichtliche Übersicht 1973Beschluss zur Entwicklung 1978 - 1985Start von insgesamt 11 Block I Satelliten 1983Zivile Nutzung nach Abschuss von Korean Airline 007 1989Der erste Block II Satellit wird installiert

22 22 3. Geschichtliche Übersicht 08.12.1993Erste Betriebsbereitschaft bekanntgegeben März 1994 Komplettierung der Satellitenkonstellation 17.07.1995Volle Betriebsbereitschaft 01.05.2000Endgültige Abchaltung der SA (Selective Availability)

23 23 4.1 Positionsbestimmung - Genaue Satellitenposition bekannt - Empfänger- und Satellitenuhr absolut synchron - Laufzeitmessung Satellit/Empfänger

24 24 4.1 Positionsbestimmung Sender Sendezeit Ts Empfänger Empfangszeit Te Entfernung p Ausbreitungsgeschwindigkeit c T = (Te -Ts) p = T * c

25 25 4.1 Positionsbestimmung - mehrere Satelliten ermöglichen die Ortsbestimmung - 4 Satelliten sind im 3 Dimensionalen nötig - Bestimmung von Position und Höhe - Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit

26 26 4.1 Positionsbestimmung - Betrachtung im 2 Dimensionalen

27 27 4.1 Positionsbestimmung - ungenaue Quarzuhr im Empfänger - exakte Satellitenzeit muss bekannt sein - Zeitfehler von 1/100 s entspricht 3000Km

28 28 4.1 Positionsbestimmung Tatsächliche Position A Pseudoposition B

29 29 4.1 Positionsbestimmung - Verwendung eines weiteren Satelliten - Tatsächliche Position A - Drei Pseudopositionen B

30 30 4.1 Positionsbestimmung

31 31 4.1 Positionsbestimmung Korrektur des Uhrenfehlers durch Vereinigung der Pseudopositionen

32 32 4.1 Positionsbestimmung - Empfängeruhr läuft Synchron mit Satellitenuhr - Günstige Atomuhr - Exakte Zeitmessungen Möglich

33 33 4.2 Ausgesendete Signale - Hohe Anforderungen - <2 GHz (keine Richtantennen) - >100 MHz (Ionische Verzögerung) - vom Wetter unabhängiger Frequenzbereich

34 34 4.2 Ausgesendete Signale - passive Positionsbestimmung - Geschwindigkeitsmessung (Dopplereffekt) - Aussenden von Navigationsdaten - Korrektur Ionosphärischer Verzögerungen

35 35 4.2 Ausgesendete Signale - 2 Trägersignale im Mikrowellenbereich - L1-Frequenz mit 1575.42 MHz - L2-Frequenz mit 1227.60 MHz - L-Band: 1000 - 2000 MHz

36 36 4.2 Ausgesendete Signale - Drei verschiedene Binärcodes - Phasenmoduliert - Phasenumkehr bei Codeveränderung - Nur für digitale Codes geeignet

37 37 4.2 Ausgesendete Signale - c/a (coarse aquisition, grobe Bestimmung) - 1023 Chip lang, Frequenz 1023 MHz - PRN Code (pseudozufälliger Code) - Für jeden Satelliten eindeutig

38 38 4.2 Ausgesendete Signale - c/a Code moduliert L1 - P Code moduliert beide Frequenzen - sehr langer 10.23 MHz PRN Code - Anwendung im militärischen Bereich

39 39 4.2 Ausgesendete Signale - Navigationsnachricht mit 50 Bit/s - Mit 50 Hz in L1 moduliert - Datum, Uhrzeit und Satellitenpositionen - Satellitenstatus, PRN Nummer u.s.w

40 40 4.2 Ausgesendete Signale - Signal besteht aus 37500 Bit - Übertragungszeit von 12.5 Minuten - benötigte Zeit für die erste Positionsbestimmung - wichtige Daten wiederholen sich alle 30s

41 41 4.3 Laufzeitmessung - Identifikation des Satelliten - Referenzcode im Empfänger - Vergleich mit dem Satellitensignal - Phasenverschiebung entspricht Laufzeit

42 42 4.3 Laufzeitmessung 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 T = φ - Codelänge 1023 Chip - Übertragungszeit 1ms

43 43 4.3 Laufzeitmessung - Code wiederholt sich alle 300 Km - Verschiebung um 1 chip 300m - moderne Empfänger berechnen 1% chip-Länge - theoretische Genauigkeit von 3m

44 44 4.3 Laufzeitmessung - Signalverschiebung von 3 chips - Errechnete Strecke 3 * 300m = 900m - was soll das bedeuten?

45 45 4.3 Laufzeitmessung - Mögliche Entfernungen 0 – 300 Km - viele mögliche Positionen - Positionen der Satelliten - Uhrzeit

46 46 4.3 Laufzeitmessung

47 47 4.3 Laufzeitmessung - Entfernung grüner Punkt 24000 Km - Signalverschiebung von 3 μs - Entfernung Empfänger 24000.9 Km - Signallaufzeit von 0.08003 s

48 48 4.4 Fehlerquellen - SA Effekt - künstliche Verfälschung der Uhrzeit in L1 - Ungenauigkeit im Bereich von 100m - Höhendaten praktisch unbrauchbar

49 49 4.4 Fehlerquellen - Ungünstige Satellitengeometrie

50 50 4.4 Fehlerquellen - Schwankungen der Umlaufbahnen - Mehrwegeffekt durch Reflexionen - Atmosphärische Effekte - Uhrenungenauigkeit

51 51 4.4 Fehlerquellen - Relativistische Effekte - Spezielle Relativitätstheorie - Schnelle Objekte = langsame Zeit - Zeitfehler von etwa 7.2 Mikrosekunden pro Tag

52 52 4.4 Fehlerquellen - Allgemeine Relativitätstheorie - Starke Gravitation = langsamere Zeit - Satellitenzeit vergeht schneller - Zeitdilatation 6 mal größer als bei spez. Rel.

53 53 4.4 Fehlerquellen - Insgesamt laufen die Uhren zu schnell - etwa 38 Mikrosekunden pro Tag - Die Uhren laufen mit 10.229999995453 Mhz - offiziell mit 10.23 MHz

54 54 4.4 Fehlerquellen Störungen durch die Ionosphäre5 Meter Schwankungen der Umlaufbahnen2.5 Meter Uhrenfehler2 Meter Mehrwegeffekte1 Meter Störungen durch die Troposphäre0.5 Meter Rechnungs- und Rundungsfehler1 Meter

55 55 4.5 Erreichbare Genauigkeit - Genauigkeit von ungefähr 15 Meter - Steigerung auf 1m möglich - D-GPS - WAAS

56 56 4.5 Differentielles GPS - Nahegelegene Referenzstation - Berechnung des Positionsfehlers - Übertragung an den GPS-Empfänger - mittlere Genauigkeit von 3m

57 57 4.5 Differentielles GPS Genau bekannte Position Gesuchte Position

58 58 4.5 Wide Area Augmentation System - etwa 25 Bodenstationen in den USA - Korrektur von Umlaufbahn, Uhren, Signallaufzeit - 2 Geostationäre Satelliten - mittlere Genauigkeit von 1m

59 59 5. Galileo - Einsatzbereit frühestens 2010 - 30 Satelliten - Höhere Genauigkeit als GPS - militärische Nutzung


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