Navigationssatellit

TOPEX / Poseidon-satelliten lanserades 1992 för exakta höjdmätningar

Eftersom navigationssatelliter är konstgjorda jordsatelliter som används för positionering används av land-, sjö- och flygfordon.

funktionalitet

För detta ändamål avger satelliten - vars bana mäts exakt - radiosignaler som tas emot och analyseras av mätutrustning på jorden. Tidigare användes frekvenser mellan 100 och 500 MHz ( meter och decimeter vågor ), idag upp till 20 GHz ( centimeter vågor ).

Grunden är avståndsmätningen mellan mottagaren och den aktuella satellitpositionen. Det kan också göras med hjälp av “ pseudoranging ” eller Doppler-effekten ( hyperbolnavigering ). Solceller används för strömförsörjning, atomur (tidigare kvartsoscillatorer) som tidsstandarder och ett nätverk av observationsstationer med tillhörande datacenter för att bestämma banan .

Banor på TRANSIT-NNSS-satelliterna
Rörelse av de ursprungliga 18 GPS-satelliterna

I ett system som rör sig relativt observatören går tiden långsammare (se tidsutvidgning och Hafele-Keating-experiment ). Klockorna ombord på en navigationssatellit måste justeras om och om igen. Alternativt kan atomklockan fortsätta att köra okorrigerad, men istället uppdateras ett korrigeringsvärde.

Banor

Valet av banor avgör i huvudsak systemets prestanda. Satelliter i låga banor möjliggör mer exakt triangulering, men har en kortare livslängd och en kortare siktstid, så fler satelliter krävs för full täckning. Följaktligen kan navigationssatellitternas höjder och lutningar - beroende på syftet - vara mycket olika. Transit- NNSS-systemet, som i stor utsträckning användes 1965–1990 , hade 5–6 satelliter i 1000–1100 km höga polära banor . De var så förskjutna från varandra (se bilden till höger) att en satellit steg över horisonten ungefär varje timme. Jorden roterar under dessa satellitbanor som i en bur.

Dagens globala positioneringssystem använder 25–30 satelliter på 20 200 km höjd och kretsar med en lutning på 55 ° mot ekvatorn. GLONASS (med något högre lutning för att bättre täcka högre breddgrader) och det europeiska Galileo- systemet använder en mycket liknande konfiguration , medan BeiDou distribuerar ett liknande antal satelliter i geosynkrona och geostationära banor 22.000 km höga. I alla fall är målet att ha ett visst antal satelliter (minst fyra, i praktiken minst sex till åtta) ovanför horisonten vid vilken punkt som helst på jorden när som helst. Banhöjden betyder mer komplexa startar, men satelliterna är synliga under en längre tid och deras livslängd är också lång (10–15 år). Den högfrekventa tekniken är så avancerad att de utstrålade med endast cirka 50 wattsignaler fortfarande är mätbara på jorden. De flesta satelliter har för närvarande massor på cirka 2000 kg och har vardera 2 atomur baserat på cesium eller rubidium . Dessutom finns det markstationer som mäter satellitbanorna med hög precision och måste göra dessa data tillgängliga för satelliterna. Kunskap om vägarna är avgörande för en exakt bestämning av position.

Mätprinciper

Dopplereffekt och dess utvärdering

Den första satelliten, Sputnik, som lanserades i oktober 1957, sände kontinuerligt radiosignaler. Redan då hade forskare studerat Sputnik-banan både med interferometrar och med enkla, enkelriktade antenner. Man kom snabbt fram till att man kunde beräkna sin egen position med en tillräckligt noggrann klocka, omloppselementen i Sputnik och Dopplerförskjutningen av Sputnik-signalerna. I slutändan var det till och med möjligt att få tillräckligt med data för en positionsbestämning från en enda överflygning av satelliten.

Det första pålitliga och användbara satellitnavigeringssystemet var US Transit NNSS-systemet på 1960-talet . Den använde Doppler-effekten som härrör från satellitrörelsen , som mättes på kodade tidsstämplar i transitsatelliternas radiosignaler. De ubåtar i flottan hade alltså möjlighet, oavsett plats (första LORAN hade i bästa fall några tusen miles ett intervall) och vädret ( himmelsk navigering ) för att bestämma positionen och banan för Polaris programmet -Atomraketen korrekt.

Doppler-skiftet spelades in och integrerades i 1 minut, vilket motsvarar avståndsskillnaderna mellan de relevanta satellitorden och mottagaren. Fartygets position erhölls från dessa hyperboliska linjer med en noggrannhet på cirka 50 m - men bara 15-30 gånger om dagen.

se huvudartikel Dopplersatellit .

Eftersom varje Doppler-mätning har att göra med hastigheter eller deras skillnader kan fordonets egen hastighet och jordens rotation också registreras. Dessutom användes NNSS-systemet för nationell kartläggning : samtidiga mätningar utförda med två eller flera mottagare vid avlägsna mätpunkter kunde exakt bestämma avståndet mellan dem. Utvärderingen med särskilda differentiella metoder (sektion av hyperboloider ) resulterade i efterbehandlingspositioner som var exakta till cirka ± 50 cm.

Avancerade navigationssatelliter på 1970-talet (typ NOVA ) hade speciella accelerometrar ombord för att eliminera de icke-gravitationella krafterna på satellitbanorna. Detta gjorde det möjligt navigation ökas med en noggrannhet på 20 meter runt om i världen, och längre nationella mätningskampanjer

Dopplerförskjutningar mäts också av Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite (DORIS) satellitsystem som utvecklats av Frankrike . Mätningarna görs dock inte på marken utan i själva rymdproberna, vilket minskar ansträngningen. Dagens fokus för DORIS är inte navigering utan övervakning av jordens rotation , jonosfären och det geodetiska referenssystemet .

Än idag använder COSPAS-SARSAT , ett satellitsystem för lokalisering av kraschade fartyg och flygplan, Doppler-effekten - men nödsignalerna från satelliten registreras och utvärderas i en markstation.

Tvåvägsmätningar och GPS-pseudovägar

Andra system (t.ex. PRARE ) bär transpondrar för att svara på radiosignaler som kommer från en markstation (liknar sekundärradar ). Denna tvåvägsmätning möjliggör - i motsats till GPS - en realtid för flygmätning och en bättre inspelning av den atmosfäriska brytningen .

Alla dagens globala satellitnavigeringssystem (GPS, GLONASS, Galileo eller Beidou) fungerar inte - som ofta hävdas - med riktiga tidsmätning av de kodade signalerna (se trilateration ), men med pseudo vägar . De betyder en avståndsmätning där alla mätavstånd avviker från det verkliga värdet med en konstant mängd, eftersom satellit- och mottagarklockorna bara kan synkroniseras ungefär. Det ögonblick då signalen anländer till mottagaren registreras i dess tidssystem och den lilla tidsskillnaden δt bestäms som okänd tillsammans med positionskoordinaterna . Därför är det inte tillräckligt att mäta avståndet till tre satelliter (skärning mellan tre sfärer), men en fjärde krävs. I själva verket finns det vanligtvis 6–10 satelliter över horisonten ändå, så att den geometriskt bästa konstellationen kan väljas (se noggrannhetsparametrarna PDOP och GDOP ). Moderna enheter kan ta emot signaler från flera system och utvärdera dem parallellt så att noggrannhet och tillgänglighet ökar.

Se även

Individuella bevis

  1. ^ William H. Guier, George C. Weiffenbach: Genesis of Satellite Navigation . I: Johns Hopkins APL Technical Digest . tejp 19 , nr. 1 , 1998, s. 14–17 (engelska, online [PDF; 42 kB ; nås den 7 augusti 2020]).