Globális műholdas navigációs rendszer

A különböző GNSS gyakorisága

A globális navigációs műholdas rendszer ( angol globális műholdas navigációs rendszer ) vagy a GNSS a földön és a levegőben történő helymeghatározás és navigáció rendszere a navigációs műholdak és pszeudolitok jeleinek vételével .

A GNSS gyűjtőfogalom olyan meglévő és jövőbeli globális műholdas rendszerek használatára, mint pl

és különféle kiegészítő rendszerek Európában, az USA-ban, Japánban és Indiában . A NAVSTAR GPS 1995 óta, a GLONASS 1996 óta működik teljesen, de a következő években az életkor miatt a műholdak csaknem felét elveszítette. A GLONASS 2011 óta ismét teljesen működőképes. Beidou és Galileo teljes terjeszkedése 2020 körül várható.

Munkamódszer

Három gömb alakú felület metszéspontja

A GNSS műhold konstelláció műholdai rádiókódokon keresztül közlik pontos helyzetüket és idejüket. A helyzet meghatározásához a vevőnek egyszerre legalább négy műhold jelét kell fogadnia. Az áljel terjedési idejét a vevő készülékben mérjük (a műholdaktól a vevőantennáig, beleértve a vevő órahibáit is), és ebből határozzuk meg az aktuális helyzetet (beleértve a magasságot is) és az órahibákat.

Körülbelül 25 000 km-es pályán 24-30 műhold konstellációját használják. Ennek célja annak biztosítása, hogy a vevő eszközök - még akkor is, ha a láthatár nem teljesen szabad - mindig képesek egyszerre legalább négy műhold jelét fogadni ( GPS - sel 6-12 műhold van).

A helyzet pontosságát helyhez kötött vevőállomásokkal lehet javítani. Korrekciós jeleket ( DGPS ) továbbítanak a felhasználóknak. A német SAPOS rendszert az állami felmérési irodák működtetik . Az SAPOS három különböző jelszolgáltatást nyújt, amelyek 1 cm-nél kisebb pontosságot érnek el.

A műholdas alapú segédrendszerek , az angol Satellite-Based Augmentation System (SBAS) az Európai EGNOS , az USA WAAS , a japán MSAS és az indiai GAGAN , amelyek geostacionárius műholdakon keresztül bocsátják ki a korrekciós jeleket. A kínai Beidou rendszer még fejlesztés alatt áll, az indiai IRNSS rendszert még tervezik.

A GPS-ben használt technológia részletei megtalálhatók a GPS-technológia és a hiperbola navigáció című cikkekben is ; a fent említett többi rendszer ettől változó mértékben különbözik.

Mérési gyakorlat

A műhold helyzete folyamatosan változik (GPS-sel csaknem 3,9 km / s), és ezzel együtt a műhold távolsága a föld egy bizonyos pontjáig. A felhasználó azonban kiszámíthatja az egyes időpontok műholdas helyszíneit a műholdas jelekben lévő pályaadatokból ( efemerekből ). Ezek orbitális adatok (GPS és Galileo vannak Kepler orbitális elemek , GLONASS is koordinálja, sebesség és gyorsulás vektorok) rendszeresen összehasonlítva a földi állomások (körülbelül kétóránként GPS).

A műhold és a megfigyelő közötti távolság a jel terjedési idejéből adódik. Minden műhold folyamatosan továbbítja egyedi kódját, az aktuális időt és az egyedi pálya adatait. A GPS és a GLONASS használatával ez a sorozat minden milliszekundumban megismétlődik. A vevő fáziszárt hurok segítségével kezeli a késleltetés és a Doppler- effektusok által okozott idő- és frekvenciaváltásokat.

A műhold és a vevő pontosan szinkronizált óráival az így mért időeltolódás megfelelne a műholdas jelek tranzitidejének. Ennek az átmeneti időnek a jelsebességgel (majdnem a fénysebességgel) való szorzata a műhold és a vevő közötti távolságot eredményezi.

Három méteres útvonal-pontosság érdekében a tranzitidőket tíz nanoszekundum pontossággal kell meghatározni. Ahelyett, hogy a vevőt megfelelő nagy pontosságú atomi órával szerelnék fel, a vevő óra hibáját meghatározzák és figyelembe veszik a helyzet kiszámításakor. A négy ismeretlen (három térbeli koordináta és vevő órahiba) meghatározásához négy műholdra van szükség. Ez négy egyenlethez vezet négy ismeretlenrel.

A meghatározott koordináták az adott navigációs rendszer koordinátarendszeréhez kapcsolódnak; GPS-sel például a WGS84-en . A meghatározott időt a navigációs rendszer is meghatározza; tehát z. B. a GPS idő az UTC univerzális időponttól néhány másodperccel , mivel a szökő másodperceket nem veszik figyelembe a GPS rendszer időtartamában. Ezeket 1980 óta körülbelül kétévente adtuk hozzá, így az eltérés jelenleg (2017 januárjától számítva) 18 másodperc.

A meghatározott koordináta- ellipszoid földrajzi hosszúsága, földrajzi szélessége és magassága kiszámítható a térbeli koordináták alapján . Meg kell azonban jegyezni, hogy az alkalmazott koordináta-rendszerek eltérhetnek más közös koordinátarendszerektől, így a meghatározott helyzet sok, főleg régebbi térképen akár néhány száz méterrel is eltérhet a pozíciótól. A GNSS által meghatározott magasság és a „tengerszint feletti” magasság szintén több méterrel eltérhet a tényleges értéktől ( geoid ).

Mérési hibák

Köszörülés vágás
Futásidejű hiba a törés miatt
Futásidejű hibák szögek miatt

A háromszögeléshez hasonlóan a tetraéder térfogatának a lehető legnagyobbnak kell lennie, amelyet a műholdak a megfigyelővel a csúcsán átfeszítenek; különben csökken az elérhető pozíció pontossága ( Dilution of Precision , DOP). Ha a műholdak ugyanabban a síkban vannak, mint a vevő, vagyis látszólag egy olyan vonalban vannak, amelyet a megfigyelő lát, akkor a helyzet meghatározása nem lehetséges. Ilyen konstelláció azonban gyakorlatilag soha nem fordul elő.

A légkör megváltoztatja a jel terjedési idejét. A troposzférával ellentétben az ionoszféra hatása frekvenciafüggő. Részben korrigálható, ha a vevő kiértékeli azokat a jeleket, amelyeket a műhold különböző frekvenciákon küld ( kettős frekvenciájú vevő). Csak egy jel áll rendelkezésre a szabadidős piacon általánosan elterjedt GPS-vevők számára (2020).

Az ionoszférában a szabad elektronok számának ingadozási tartománya legfeljebb 30 m térbeli hibát okoz. Ennek csökkentésére 10 m-nél kevesebbre a GPS műholdak hat paramétert továbbítanak, amelyek leírják az ionoszféra aktuális állapotát. A rövid távú szcintillációk azonban nem korrigálhatók vele.

Helyzetpontosság javítatlan mért értékekkel ( felhasználói tartomány hiba , URE):

forrás Időhiba Helyhiba
Műhold helyzet 6-60 ns 1-10 m
Idősodródás 0–9 ns 0-1,5 m
ionoszféra 0-180 ns 0-30 m
Troposzféra 0-60 ns 0-10 m
Többirányú hatás 0-6 ns 0-1 m

A műholddal kapcsolatos hibákat, azaz a műhold helyzetének és időmérését angolul Signal in Space - User Range Error (SIS-URE), az út terjedési hibáinak User Equivalent Range Error (UERE) hibáinak nevezik.

A pontosság akkor növekszik, ha több mint négy műhold fogadható. Ezt a mérést akkor "túlzottan meghatározott helynek" nevezzük. A hibákat utólag néhány centiméterre csökkenthetjük, ha összehasonlítjuk őket referencia mérésekkel. Ez a típusú korrekció Differenciális Globális Navigációs Műholdrendszer (DGNSS) néven ismert. Helyette valós időben megtalálja a differenciális GPS-t (DGPS) , ha az online referenciaadatok rendelkezésre állnak.

Ha a műholdas jelek fázisait is értékeli , akkor néhány centiméteres dinamikus relatív pontosság is elérhető.

Rendszerek

Az 1978-tól 2014-ig indított GNSS műholdak száma

Az amerikai NAVSTAR-GPS (röviden GPS ) és az orosz GLONASS katonai rendszereket első generációs rendszereknek nevezik . Új műholdakkal történő frissítés után elérhető a második generációs GPS . Összehasonlítható lesz a Galileóval , amely szintén a második generáció része lesz . Az ESA szóhasználatában a GNSS-1 az eredeti GPS és GLONASS, a GNSS-2 a Galileo és a második generációs rendszerek rövidítése. A GPS III kifejezés az összes rendszerelem teljes felülvizsgálatát írja le. Ez az újratervezés a második generáció felépítéséig tart, és számos területen minőségi javulást eredményez.

A japán kvázzenit műholdrendszer (QZSS) célja a japán városi kanyonok lokalizációjának javítása. A kínai Beidou rendszer húsz műholdja már pályán van. Az Indiában , legalább egy műhold (GSAT-8) származó ISRO már támogatja GAGAN ( GPS segített Geo kiterjesztett Navigation ) , mivel 2011 közepén .

Egyéb felhasználások

A GNSS műholdak nemcsak rádiójelet küldenek, hanem az adó pontos helyzetét is. A jelforrás helye és az ismert pozícióval való összehasonlítás információt nyújt a terjedési közeg jellegéről.

Rádió okkultáció segítségével a Föld légkörének megfigyelései elvégezhetők GNSS jelekkel, és a vízfelületek GNSS-R- rel történő visszaverődésének megfigyelései .

Lásd még

irodalom

  • Manfred Bauer: Felmérés és helymeghatározás műholdak segítségével. Globális navigációs rendszerek (GNSS) és más műholdas navigációs rendszerek. 6. kiadás. Wichmann, Berlin 2011, ISBN 978-3-87907-482-2 .
  • Werner Mansfeld: Műholdas helymeghatározás és navigáció. A globális műholdas navigációs rendszerek alapjai, működési módjai és alkalmazása. 3. Kiadás. Vieweg, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-0611-6 .
  • Hans Dodel, Dieter Häupler: Műholdas navigáció. 2. kiadás. Springer, Berlin 2010, ISBN 978-3-540-79443-1 .

web Linkek

Wikiszótár: Műholdas navigáció  - jelentésmagyarázatok, szóeredet, szinonimák, fordítások

Egyéni bizonyíték

  1. ↑ A QZSS SIS-URE és a felhasználó pozicionálási pontosságának GPS és QZSS teljesítményelemzése ( Memento , 2011. december 30., az internetes archívumban )
  2. ↑ A navigációs műholdak listája
  3. ↑ Geostacionárius műhold: GSAT-8. ( Memento 2011. október 13-tól az Internetes Archívumban )