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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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Präsentation zum Thema: "1 GPS – Global Positioning System Gehalten von: Tobias Werner Unter Leitung von: Stefan Bergstedt Hamburg den 24.01.2005."—  Präsentation transkript:

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

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 Weltraumsegment - mindestens 24 Satelliten Erzatzsatelliten - 55° Inklination

11 Weltraumsegment Kilometer Höhe - 6 Orbitalbahnen

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

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

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

15 Trägerraketen - Delta Rakete - 50 Millionen US-Dollar Satellitenstart

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

18 Kontrollsegment - Schriever Air Force Base

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

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

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

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

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

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

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

26 Positionsbestimmung - Betrachtung im 2 Dimensionalen

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

28 Positionsbestimmung Tatsächliche Position A Pseudoposition B

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

30 Positionsbestimmung

31 Positionsbestimmung Korrektur des Uhrenfehlers durch Vereinigung der Pseudopositionen

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

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

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

35 Ausgesendete Signale - 2 Trägersignale im Mikrowellenbereich - L1-Frequenz mit MHz - L2-Frequenz mit MHz - L-Band: MHz

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

46 Laufzeitmessung

47 Laufzeitmessung - Entfernung grüner Punkt Km - Signalverschiebung von 3 μs - Entfernung Empfänger Km - Signallaufzeit von s

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

49 Fehlerquellen - Ungünstige Satellitengeometrie

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

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

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

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

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

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

57 Differentielles GPS Genau bekannte Position Gesuchte Position

58 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 Satelliten - Höhere Genauigkeit als GPS - militärische Nutzung


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