GNSS Global Navigation Satellite System Philipp Müller, Robert Labas und Andrés Gil Herrera Definition GNSS (Global Navigation Satellite System) ist ein Sammelbegriff für Systeme zur globalen Positionsbestimmung und Navigation auf der Erde sowie in der Luft. Satelliten und Pseudoliten bilden dabei ein Netzwerk, welche durch das Aussenden von Signalen, darauf abgestimmten Empfängern, die Positionsbestimmung und Navigation ermöglichen. Durch den Einsatz unterschiedlichster Technologien, herrscht jedoch eine begrenzte Interoperabilität zwischen den GNSS. Systembeispiele: - GPS (USA) GLONASS (Russland) Galileo (EU) BeiDou (China) Definition Allgemeingültige Anforderungen an ein GNSS: - Genauigkeit → Differenz zwischen gemessenem Wert und realer Position, Geschwindigkeit oder Zeit ausgleichen Integrität → Nur korrekte Daten werden vom System genutzt; Kontinuität → Korrekte Funktionsweise ohne Unterbrechungen auf Dauer Verfügbarkeit → Anteil der Zeit, in der das System Korrektheit, Integrität und Kontinuität vorweisen kann sowie Ausfallsicherheit Systemaufbau Systemaufbau - Raumsegment ● Besteht aus Satelliten ● Eindeutige Identifikation ● Kommunikation mit dem Boden- und Nutzersegment Systemaufbau - Raumsegment ● Rechner ● Sende- und Empfangsanlagen ● Atomuhren ● Solarzellen ● Antriebe zur Bahnkorrektur Systemaufbau - Bodensegment ● Bidirektionale Kommunikation mit Raumsegment ● Überwachung ● Kontrolle ● Schutz der Dienste vor unberechtigten Benutzern Systemaufbau - Nutzersegment ● Passive Empfänger ● Decodierung der Signale aus dem Raumsegment ● Satellitenerkennung ● Bestimmung der Position des Satelliten ● Eigene Position bestimmen ● Fehlerkorrekturen Systemeigenschaften - Satellitenbahn ● MEO ○ übliche Umlaufbahn für Navigationssatelliten ○ ca. 19.000 km - ca. 23.000 km ○ Umlaufzeit ca. 11h 15min bis ca. 14h Systemeigenschaften - Satellitenbahnen ● ● GEO ○ Selten für Navigation verwendet ○ Ca. 36.000 km Höhe ○ Umlaufzeit ca. 24h IGSO ○ Zusätzliche Inklination ○ Erhöhung der Abdeckung Systemeigenschaften - Satellitenbahn Systemeigenschaften - Frequenzspektrum Positionierung ● Voraussetzung: ○ GNSS-Satelliten kennen ihre genaue Position und besitzen Atomuhr ● Prinzip: ○ ○ ○ ○ ● Satellit sendet Signal mit Position und Zeit zyklisch aus Entfernung zwischen Empfänger und Satellit messen Signallaufzeit zwischen Empfänger und Satellit messen Es werden insgesamt vier Satelliten benötigt Positionsbestimmung anhand von Entfernungen heißt (Tri)lateration R = Δt • c0 Δt = tstop - tstart Positionierung ● ● R = Δt • c0 Δt = tstop - tstart → Es entsteht ein zeitbasierter Fehler durch den auch die berechnete Entfernung fehlerhaft wird. Positionierung ● ● R = (((Δt1 - Δt2) • c0) + A) /2 Δt0 = Δt1 - (R/c0) → Werden unsychronisierte Empfänger-Uhren verwendet, muss die Anzahl der Zeitsender um Eins größer sein, als die Anzahl der unbekannten Dimensionen. Positionierung Positionierung ● Fehler Die Positionierung wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst: Einfluss ○ Satellitenposition immer nur auf 1 bis 5 Meter genau S-Position 1,5 - 10 m ○ Satellitengeometrie S-Geometrie 0 - 150 m ○ Ionosphäre und Troposphäre “verlangsamen” Signal Ionosphäre ○ Reflexion des Signals auf der Erde (Multipath) Troposphäre 0,7 - 10 m ○ Qualität des Empfangsgerätes Multipath 1,0 - 10 m ○ (Künstliche Verfälschung der Signale) Empfänger Total 3 - 90 m 0 - 0,5 m 5,2 - 270,5 m Positionierung Satellitengeometrie Positionierung Ionosphäre und Troposphäre Mehrwegeausbreitung Positionierung Künstliche Signalverfälschung Beispielssysteme GPS - Global Positioning System Raumsegment: ● 32 Satelliten (24 aktiv) ● 5 - 12 Satelliten immer sichtbar ● 12 Stunden Umlaufzeit ● 6 MEO-Bahnen ● 55° Inklination ● L1, L2 und L5 GPS - Global Positioning System Bodensegment: ● Master Control Station ○ ● Nutzersegment: ● Colorado Monitor Stations ○ Weltweit ● Berechnet: ○ Position ○ Uhrzeit ○ Geschwindigkeit 12 Kanäle GPS - Signalaufbau 1. Uhren Korrekturdaten 2-3. Bahndaten/Ephemeriden 4. Systemzeit, Statusmitteilungen, Health Codes 5. Almanach Daten GPS - Positionbestimmung ● Entfernungsmessung -> Zeitmessung ● Min. 4 Satelliten ● Code Division Multiple Access ● Psuedo Random Noise ○ c/a code (1023 chips) für jeden Satellit fest GPS - Positionbestimmung GPS - Kreuzkorrelation. ● Empfangene Signal wird mit der PNR-Folge multipliziert ● PNR-Folge wird verschoben ● Maximale Summe heißt Signal aus dem Satellit empfangen GPS - Positionbestimmung GPS - Positionbestimmung Xi, Yi, Zi = Koordinaten des i-ten Satelliten (bekannt) XR, YR, ZR = Koordinaten des Empfängers (gesucht) ti = Pseudozeit (gemessen) tR = Gangabweichung der Empängeruhr (unbekannt) D-GPS ● Höhere Genauigkeit durch Korrekturdaten ● Fixierte Referenzempfänger ● Gebührenpflichtig D-GPS - SAPOS ● Deutschlandweit Abdeckung ● 250-270 Referenzstationen IRNSS - IRNSS = Indian Regional Navigation Satellite System - Kein global agierendes System! Indien + 1500 km Bereich - Ziel: Unabhängigkeit vom GPS-System; historisch bedingt durch KargilKrieg - Produktion und Betrieb vollständig in indischer Hand IRNSS Raumsegment: ● 7 Satelliten ○ 3 GEOs ○ 4 GSOs IRNSS Boden- und Nutzersegment: IRNSS ● Zwei Dienste: Special Positioning Service (SPS) + Precision Service (PS) ○ Beide Dienste auf L5-Frequenz und im S-Band ○ SPS nutzt binäre Phasenmodulation und PS verwendet Binary Offset Carrier ● Genauigkeit: 10 - 20 Meter ● D-GPS ähnliches System bereits vorhanden: GAGAN ● Aktuell: Vollständige Inbetriebnahme Mitte 2016 geplant Galileo ● ● ● ● ● Satellitensystem der EU Beteiligung von Staaten außerhalb der EU Aufbau ähnlich zu GPS 3 Bahnen mit je 10 Satelliten 5 geplante Dienste Galileo - Aktueller Stand ● ● ● ● ● ● ● 5 Satelliten in Betrieb 2 Satelliten auf falscher Umlaufbahn in Betrieb 1 Satellit ist nicht verfügbar 2 Satelliten gestartet, aber noch nicht in Betrieb 2 weitere Satelliten für Dezember geplant Erste Dienste im Jahr 2016 verfügbar Komplettbetrieb ab 2020 BeiDou ● ● ● ● Chinesisches System Unabhängigkeit von GPS 3 Phasen BeiDou 1 ○ 2000 - 2007 ○ 4 Satelliten ○ Abdeckung begrenzt ○ Unterstützung des Galileo Projektes BeiDou 1 - Funktion ● ● ● ● Satelliten senden codiertes Signal Terminal sendet Signal an Satelliten Computer übernimmt Berechnung der Position Kurzmitteilungen möglich BeiDou 2 (Compass) ● ● ● Start 2007 als Ersatz für BeiDou 1 Nutzung mehrerer Orbits 35 Satelliten geplant ○ 5 GEO ○ 3 IGSO ○ 27 MEO BeiDou 2 - Aktueller Stand ● Bereits seit 2012 einsatzbereit ● Vorerst nur im Asiatischen und Pazifischen Raum vefügbar ● Derzeit 19 Satelliten im All ● Bis 2020 weltweit verfügbar BeiDou 2 - Technik ● Kein Sender im Empfangsgerät benötigt ● Mögliche Beeinträchtigungen durch Frequenzüberscheidung ● Öffentlicher und Eingeschränkter Dienst verfügbar ● Senden von Kurznachrichten möglich BeiDou 2 - Technik Signal Trägerfrequenz (MHz) Bandbreite (MHz) PRN Code Code Rate Modulation B1 (I) Dienst offen 1561,098 4,092 2,046 QPSK B1 (Q) beschränkt B2 (I) offen 1207,14 24 10,23 QPSK B2 (Q) B3 beschränkt 1268,52 24 10,23 QPSK beschränkt Abdeckung BeiDou 1 - Beidou 2 Telematikanwendungen Container Tracking & Tracing ● GPS + Kommunikationskanäle ○ z.B. GSM oder Satellitenkommunikation Vorteile: ● Lieferungzeit ● Erhöhung der Sicherheit ○ Automatische Warnsignale Container Tracking & Tracing Schwierigkeit: ● LOS kann nicht immer gewährleistet werden Lösung: ● ● Schiffsposition Kommunikationsnetz zwischen Container CONT-TRAK ● Komponente: ○ Satellitenterminal (GPS + Satellitenkommunikation) ● ○ Container Tracking Interface Module ○ Sensorik 2.4 GHz Precision Farming ● ● ● ● Fahrzeugsensorik + Feldsensorik + Internet + Satelliten GPS mit EGNOS kombiniert lenken automatisch Traktoren Fahrverbund von mehreren Traktoren/LW-Nutzfahrzeugen Tracking und Tracing von der Verwaltungsstelle ● Vorteile: Düngemittel- und Chemikalienverbrauch senken, Fahrwege optimieren, Furchengröße verringern, Kraftstoffverbrauch senken, Arbeitszeiten optimieren, Arbeiter entlasten, ... Precision Farming Internet Ingress ● Augmented Reality Spiel ● Android und iOS ● Weltweit verfügbar ● Interaktion mit realen Objekten ● Ortung der aktuellen Position ● Kommunikation mit anderen Leuten Ingress Quellen Bilder: http://www.faxswitch.com/footryc.gif http://www.navigadget.com/index.php/2006/11/09/worlds-thinnest-bluetooth-gps-receiver-btcc-45 http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gif/databits.gif https://www.thisisant.com/assets/ANT.GPS.icon.FA.jpg http://rzv037.rz.tu-bs.de/gis/bilder/akquisition/gps_pseudorangenavigation.gif http://www.sintrade.ch/bilder/dgpsexd.gif http://sapos.thueringen.de/webshop/img/sapos-dienste.png http://college.wfu.edu/albatross/images/argos.jpg http://4.bp.blogspot.com/-mcDr8qrxbOs/Uh_ppzeqknI/AAAAAAAACMU/XjXv3-x0EUk/s1600/IRNSS_GSS_Orbit+Positioning.bmp Quellen http://www.gps.gov/support/faq/#sats Safaa Dawoud, GNSS principles and comparison; Potsdam University Potsdam. https://sapos.bayern.de/service.php Anselm Fabig, Vorlesung Geomatik; TH Wildau https://www.tm.th-wildau.de/~brun/wiki/index.php/GNSS http://www.ruhr-uni-bochum.de/geodaesie/download/Skript%20Teil%207%20-%20GNSS.pdf http://www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/1503221.htm https://en.wikipedia.org/wiki/GNSS_applications https://de.wikipedia.org/wiki/Globales_Navigationssatellitensystem Quellen http://eprints.hsr.ch/270/1/TR-1301-IFS-HSR_v5.pdf http://kompendium.infotip.de/id-4-fehlerquellen-erweiterungen-und-verbesserungen.html https://de.wikipedia.org/wiki/Indian_Regional_Navigation_Satellite_System www.navipedia.net/index.php/IRNSS https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/i/irnss http://indianexpress.com/article/india/india-others/explained-hawk-eye-in-the-sky/ http://egnos-portal.gsa.europa.eu/discover-egnos/about-egnos/what-gnss https://www.lgl-bw.de/lgl-internet/web/sites/default/de/04_Ausbildung/Galerien/Dokumente/Flyer_Positionsbestimmung_mit_Satelliten_S_13.pdf Quellen http://www.novatel.com/an-introduction-to-gnss/chapter-5-gnss-applications-and-equipment/applications/ http://www.gsc-europa.eu/sites/default/files/sites/all/files/NB3010337DEC_002.pdf http://www.zeit.de/2014/04/landwirtschaft-technisierung-nachhaltigkeit http://www.handelsblatt.com/technik/forschung-innovation/landwirtschaft-wenn-der-maehdrescher-mit-gps-faehrt/3254204.html http://www.welt.de/wissenschaft/article8428307/Traktoren-werden-kuenftig-von-Satelliten-gesteuert.html http://www.landwirtschaft.sachsen.de/landwirtschaft/download/Vorzuege_und_Schwachstellen_von_Lenksystemen_in_der_LW. pdf http://www.sapos.de/pdf/3symposium/SAPOS_V05.pdf Quellen http://www.esa.int/Our_Activities/Navigation/The_future_-_Galileo/Galileo_a_constellation_of_30_navigation_satellites http://www.arianespace.com/news-press-release/2015/9-11-2015-VS12.asp http://www.esa.int/For_Media/Press_Releases/Galileo_satellite_recovered_and_transmitting_navigation_signals http://space.skyrocket.de/doc_sdat/galileo-foc.htm http://www.golem.de/news/satellitennavigationssystem-galileo-ist-auf-dem-weg-der-besserung-1509-116489.html http://kompendium.infotip.de/BeiDou.html#R2 http://scpnt.stanford.edu/pnt/PNT14/2014_Presentation_Files/10.LuMQ_GNSS_Signal_Design.pdf http://www.navipedia.net/index.php/Package_and_Container_Tracking http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Engineering_Technology/Cont-Trak_offers_reliable_container_tracking_via_satellite https://artes.esa.int/sites/default/files/hiresimage/Cont-trak-feat2-hres.jpg https://artes.esa.int/sites/default/files/hiresimage/Cont-trak-feat3-hres.jpg Ende Vielen Dank. 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