Globální navigační satelitní systém

Frekvence různých GNSS

Globální družicový navigační systém ( anglicky globální navigační satelitní systém ) nebo GNSS je systém pro polohování a navigaci na zemi a ve vzduchu příjem signálů z navigačních družic a pseudolitů .

GNSS je souhrnný termín pro využívání stávajících i budoucích globálních satelitních systémů, jako je

a různé doplňkové systémy v Evropě, USA, Japonsku a Indii . GPS NAVSTAR je plně funkční od roku 1995, GLONASS od roku 1996, ale v následujících letech ztratilo kvůli stáří téměř polovinu satelitů. GLONASS je opět plně funkční od roku 2011. Plná expanze Beidou a Galileo se očekává kolem roku 2020.

Pracovní metoda

Průnik tří sférických povrchů

Družice satelitní konstelace GNSS sdělují přesnou polohu a čas pomocí rádiových kódů. K určení polohy musí přijímač přijímat signály nejméně ze čtyř satelitů současně. Časy šíření pseudo signálu se měří v přijímacím zařízení (od satelitů k přijímací anténě, včetně hodinových chyb přijímače) a z toho se určuje aktuální poloha (včetně nadmořské výšky) a chyby hodin.

Na oběžné dráze přibližně 25 000 km se používá souhvězdí 24 až 30 satelitů. Tím je zajištěno, že přijímací zařízení - i když pohled na horizont není zcela volný - mohou vždy přijímat signály nejméně ze čtyř satelitů současně (s GPS je 6 až 12 satelitů).

Přesnost polohy lze zlepšit stacionárními přijímacími stanicemi. Přenášejí korekční signály ( DGPS ) uživatelům. Německý systém SAPOS provozují státní průzkumné úřady . SAPOS poskytuje tři různé signální služby, které dosahují přesnosti menší než 1 cm.

Satelitní pomocné systémy , anglický Satellite-Based Augmentation System (SBAS) , jsou evropský EGNOS , americký WAAS , japonský MSAS a indický GAGAN , které vysílají korekční signály prostřednictvím geostacionárních satelitů. Čínský systém Beidou je stále ve výstavbě, indický systém IRNSS se stále plánuje.

Podrobnosti o technologii používané v GPS lze také najít v článcích GPS technology and hyperbola navigation ; ostatní výše uvedené systémy se od toho liší v různé míře.

Praxe měření

Umístění satelitu se neustále mění (s GPS o téměř 3,9 km / s) a s ním i vzdálenost satelitu k určitému bodu na Zemi. Uživatel však může vypočítat satelitní umístění pro každý časový bod z dat na oběžné dráze ( efemeridy ) obsažených v satelitních signálech . Tato orbitální data (GPS a Galileo jsou orbitální prvky Kepler , GLONASS jsou souřadnice, vektory rychlosti a zrychlení) jsou pozemními stanicemi pravidelně srovnávána (přibližně každé dvě hodiny s GPS).

Vzdálenost od satelitu k pozorovateli je výsledkem doby šíření signálu. Každý satelit nepřetržitě vysílá svůj individuální kód, aktuální čas a jednotlivá data na oběžné dráze. U GPS a GLONASS se tato sekvence opakuje každou milisekundu. Přijímač používá fázově uzavřenou smyčku k řešení časových a frekvenčních posunů způsobených zpožděním a Dopplerovými efekty.

S přesně synchronizovanými hodinami v satelitu a přijímači by takto měřený časový posun odpovídal době přechodu satelitních signálů. Znásobení této doby přenosu rychlostí signálu (téměř rychlostí světla ) má za následek vzdálenost od satelitu k přijímači.

Pro přesnost trasy tři metry musí být časy přepravy stanoveny s přesností na deset nanosekund. Namísto vybavení přijímače odpovídajícím způsobem vysoce přesnými atomovými hodinami se určí chyba hodin přijímače a zohlední se při výpočtu polohy. K určení čtyř neznámých (tři prostorové souřadnice a chyby hodin přijímače) je potřeba čtyři satelity. To vede ke čtyřem rovnicím se čtyřmi neznámými.

Zjištěné souřadnice se vztahují k souřadnicovému systému příslušného navigačního systému; s GPS například na WGS84 . Zjištěný čas je také definován navigačním systémem; takže z. B. čas GPS z univerzálního času UTC o několik sekund , protože přestupné sekundy nejsou zohledněny v systémovém čase GPS. Ty byly přidávány přibližně každé dva roky od roku 1980, takže odchylka je v současné době (k lednu 2017) 18 sekund.

Zeměpisnou délku, zeměpisnou šířku a výšku nad definovaným referenčním elipsoidem lze vypočítat z prostorových souřadnic . Je však třeba poznamenat, že použité souřadnicové systémy se mohou odchýlit od jiných běžných souřadnicových systémů, takže určená poloha se může odchýlit od polohy v mnoha, zejména starších mapách, až o několik stovek metrů. Výška určená pomocí GNSS a výška „nad hladinou moře“ se mohou také lišit od skutečné hodnoty ( geoidu ) o několik metrů.

Chyby měření

Chyba za běhu v důsledku lomu
Chyby za běhu způsobené úhly

Stejně jako u triangulace by měl být objem čtyřstěnu, který satelity překlenují s pozorovatelem nahoře, co největší; jinak je dosažitelná přesnost polohy ( Dilution of Precision , DOP) snížena . Pokud jsou satelity ve stejné rovině jako přijímač, tj. Zjevně v linii, jak je pozorovatel pozoruje, není možné určení polohy. K takové konstelaci však prakticky nikdy nedojde.

Atmosféra mění čas šíření signálu. Na rozdíl od troposféry je vliv ionosféry závislý na frekvenci. Lze jej částečně opravit, pokud přijímač vyhodnotí signály, které satelit vysílá na různých frekvencích ( dvoufrekvenční přijímač). Pro přijímače GPS, které jsou v současnosti (2020) běžné na trhu pro volný čas, je k dispozici pouze jeden signál.

Rozsah fluktuace počtu volných elektronů v ionosféře způsobuje prostorovou chybu až 30 m. Aby ji zmenšily na méně než 10 m, vysílají satelity GPS šest parametrů, které popisují aktuální stav ionosféry. Krátkodobé scintilace s ním však nelze korigovat.

Přesnost polohy s nekorigovanými naměřenými hodnotami ( chyba uživatelského rozsahu , URE):

zdroj Časová chyba Chyba umístění
Satelitní poloha 6-60 ns 1-10 m
Časový posun 0-9 ns 0-1,5 m
ionosféra 0-180 ns 0-30 m
Troposféra 0-60 ns 0-10 m
Vícecestný efekt 0-6 ns 0-1 m

Chyby související se satelitem , tj. Měření polohy a času satelitu, se v angličtině označují jako Signal in Space - User Range Error (SIS-URE), chyby v šíření dráhy User Equivalent Range Error (UERE).

Přesnost se zvyšuje, když lze přijímat více než čtyři satelity. Toto měření se pak nazývá „předurčené místo“. Chyby lze následně snížit na několik centimetrů jejich porovnáním s referenčními měřeními. Tento typ korekce je známý jako Diferenciální globální navigační satelitní systém (DGNSS). Najde místo toho diferenciální GPS (DGPS) v reálném čase , pokud jsou k dispozici referenční údaje online .

Pokud vyhodnotíte také fáze satelitních signálů, lze dosáhnout také dynamické relativní přesnosti několika centimetrů.

Systémy

Počet satelitů GNSS vypuštěných od roku 1978 do roku 2014

Americké vojenské systémy NAVSTAR-GPS (zkráceně GPS ) a ruský GLONASS se nazývají systémy první generace . Po upgradu na nové satelity je k dispozici GPS druhé generace . Bude srovnatelný s Galileo , který bude také patřit k druhé generaci . V řeči ESA znamená GNSS-1 původní systémy GPS a GLONASS, GNSS-2 pro Galileo a systémy druhé generace. Termín GPS III popisuje kompletní revizi všech komponent systému. Tento redesign potrvá, dokud nebude konečně vytvořena druhá generace, což povede ke zlepšení kvality v mnoha oblastech.

Japonský kvazi-zenitový satelitní systém (QZSS) má zlepšit lokalizaci v japonských městských kaňonech. Dvacet satelitů z čínského systému Beidou je již na oběžné dráze. V Indii alespoň jeden satelit (GSAT-8) z ISRO podporuje GAGAN ( GPS Aided Geo Augmented Navigation ) od poloviny roku 2011 .

Jiná použití

Satelity GNSS vysílají nejen rádiový signál, ale také přesnou polohu vysílače. Lokalizace zdroje signálu a srovnání se známou pozicí poskytují informace o povaze propagačního média.

Pomocí radiookultury lze pozorování zemské atmosféry provádět pomocí signálů GNSS a pozorování odrazivosti vodních ploch pomocí GNSS-R .

Viz také

literatura

  • Manfred Bauer: Geodetické práce a určování polohy pomocí satelitů. Globální navigační systémy (GNSS) a další satelitní navigační systémy. 6. vydání. Wichmann, Berlin 2011, ISBN 978-3-87907-482-2 .
  • Werner Mansfeld: Satelitní určování polohy a navigace. Základy, režimy provozu a aplikace globálních družicových navigačních systémů. 3. Vydání. Vieweg, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-0611-6 .
  • Hans Dodel, Dieter Häupler: Satelitní navigace. 2. vydání. Springer, Berlin 2010, ISBN 978-3-540-79443-1 .

webové odkazy

Wikislovník: Satelitní navigace  - vysvětlení významů, původ slov, synonyma, překlady

Individuální důkazy

  1. Analýza výkonu QZSS SIS-URE a přesnost polohování uživatelů pomocí GPS a QZSS ( Memento ze dne 30. prosince 2011 v internetovém archivu )
  2. Seznam navigačních satelitů
  3. Geo-stacionární satelit: GSAT-8. ( Memento ze dne 13. října 2011 v internetovém archivu )