Mit dieser Facharbeit soll beschrieben werden, wie Galileo den Standort des Empfängers bestimmt und wie sich Galileo von anderen GNSS unterscheidet.
Galileo ist ein nach dem italienischen Astronomen Galileo Galilei benanntes globales Satellitennavigationssystem (GNSS) in ziviler Hand. Die Anforderung von Galileo bestehen darin, ein unabhängiges, jedoch interoperables Positionsbestimmungssystem für Europäische Nationen bereitzustellen, welches anders als die militärisch verwalteten Systeme wie GPS (Vereinigten Staaten), GLONASS (Russische Föderation) oder BeiDou (Volksrepublik China) nicht jederzeit und willkürlich abgeschaltet werden kann. Außerdem zielt Galileo darauf ab höhere Genauigkeiten bei der Positionsbestimmung bis zu einigen Zentimetern in horizontaler und vertikaler Richtung zu ermöglichen.
Der Aufbau des Galileo Netzwerkes ist ein 3 Phasen gegliedert. Aktuell befindet man sich in der dritten und somit letzten Phase welche als „Full Operational Capabillity“ Phase bezeichnet wird. In dieser wird das Satellitensystem auf seine volle Netzwerkgröße von 30 Satelliten und vielen verteilen Kontrollzentren sowie Sensoren und Uplink Stationen ausgedehnt. Mit dem Start einer Ariane Rakete am 25. Juli 2018 wurde die Anzahl der aktiven Satelliten auf 26 der 30 vorgesehenen erhöht.
Seit dem 15. Dezember 2016 ist das System im sogenannten Open Service für die Allgemeinheit nutzbar welcher eine theoretische Genauigkeit von bis zu einem Meter jedoch keine erhöhte Ausfallsicherheit bietet.
Dabei wird Galileo bspw. für das europaweit gesetzlich vorgeschriebene Notrufsystem eCall zur Positionsbestimmung genutzt. Für kommerzielle und von Regierungen genehmigte Zwecke verfügt es über verschlüsselte Signale mit höherer Präzision und Mechanismen zur Sicherstellung des Betriebs auch bei einem aktiven Störungsversuch.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Hauptteil
2.1 Kernkomponenten von Galileo
2.1.1 Das Weltraumsegment (Space Segment)
2.1.2 Die Bodensegmente (Ground Segments)
2.1.3 Das Nutzersegment (User Segment)
2.2 Berechnung der Position
2.2.1 Ortsbestimmung im Zweidimensionalen
2.2.2 Ortsbestimmung im dreidimensionalen Raum
2.3 Maßnahmen zum Erhöhen der Genauigkeit
2.3.1 Differential Global Positioning System (DGPS)
2.3.2 Nutzung verschiedener Bänder
2.4 Galileo Services
2.4.1 Offener Dienst
2.4.2 Kommerzieller Dienst
2.4.3 Sicherheitskritischer Dienst (SOL)
2.4.4 Öffentlich regulierter Dienst oder Staatlicher Dienst (PRS)
3 Schlussteil
4 Abbildungsverzeichnis
5 Literaturverzeichnis
1 Einleitung
Galileo ist ein nach dem italienischen Astronomen Galileo Galilei benanntes globales Satellitennavigationssystem (GNSS) in ziviler Hand. Die Anforderung von Galileo bestehen darin, ein unabhängiges jedoch interoperables Positionsbestimmungssystem für Europäische Nationen bereitzustellen, welches anderes als die militärisch verwalteten Systeme wie GPS (Vereinigten Staaten), GLONASS (Russische Föderation) oder BeiDou (Volksrepublik China) nicht jederzeit und willkürlich abgeschaltet werden kann. Außerdem zielt Galileo darauf ab höhere Genauigkeiten bei der Positionsbestimmung bis zu einigen Zentimetern in horizontaler und vertikaler Richtung zu ermöglichen.
Der Aufbau des Galileo Netzwerkes ist ein 3 Phasen gegliedert. Aktuell befindet man sich in der dritten und somit letzten Phase welche als „Full Operational Capa-billity“ Phase bezeichnet wird. In dieser wird das Satellitensystem auf seine volle Netzwerkgröße von 30 Satelliten und vielen verteilen Kontrollzentren sowie Sensoren und Uplink Stationen ausgedehnt. Mit dem Start einer Ariane Rakete am 25. Juli 2018 wurde die Anzahl der aktiven Satelliten auf 26 der 30 vorgesehenen erhöht.
Seit dem 15. Dezember 2016 ist das System im sogenannten Open Service für die Allgemeinheit nutzbar welcher eine theoretische Genauigkeit von bis zu einem Meter jedoch keine erhöhte Ausfallsicherheit bietet. Dabei wird Galileo bspw. für das europaweit gesetzlich vorgeschriebene Notrufsystem eCall zur Positionsbestimmung genutzt. Für kommerzielle und von Regierungen genehmigte Zwecke verfügt es über verschlüsselte Signale mit höherer Präzision und Mechanismen zur Sicherstellung des Betriebs auch bei einem aktiven Störungsversuch.
Mit dieser Facharbeit versuche ich zu beschreiben, wie Galileo den Standort des Empfängers bestimmt und wie sich Galileo von anderen GNSS unterscheidet.
2 Hauptteil
2.1 Kernkomponenten von Galileo
2.1.1 Das Weltraumsegment (Space Segment)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Konstellation der Galileo-Satelliten ohne Reserve-Satelliten – ESA: J. Huart
Zur Übermittlung der zur Positionsbestimmung benötigten Daten stützt sich Galileo auf eine aus 30 Satelliten bestehende Konstellation im Mittleren Erdorbit (MEO) in einer Höhe von 23.222 km über Normal Null. Um weltweit gleichbleibend hohe Verfügbarkeit d.h. eine direkte Sichtverbindung zu mindestens 4 Sendern zu garantieren sind die jeweils acht Haupt- plus zwei Reservesatelliten auf drei Orbitalebenen mit einer Inklination von 56° zum Äquator gleichmäßig verteilt und benötigen ungefähr 14 Stunden für einen Erdorbit (siehe Abbildung 1). Für den Fall das ein Satellit ausfällt befinden sich in jeder Bahnebene zwei weitere Galileo Satelliten in Dauerbereitschaft.
Für die eigentliche Positionsbestimmung sind zwei sehr genaue Atomuhren in den Satelliten verbaut. Eine Wasserstoff-Maser-Atomuhr (Abweichung von einer Sekunde in drei Millionen Jahren) als primärer Zeitgeber sowie eine Rubidium-Atomuhr (Abweichung von einer Sekunde in 760.000 Jahren) als Ausweichmöglichkeit sollte die Hauptuhr ausfallen. Die Präzision der verbauten Uhren ist erforderlich da eine minimale Zeitungenauigkeit bereits eine Positionsungenauigkeit von mehreren hunderten Metern nach sich ziehen würde. Damit ein Empfänger nun seine Position ermitteln kann sendet jeder Satellit ein Signal im Mikrowellenspektrum aus, das die Zeit, zu der das Signal gesendet wurde, sowie die Position des aussenden Satelliten in der Umlaufbahn beinhaltet. Da die Lichtgeschwindigkeit als Konstante gegeben ist kann man die Zeit, welche das Signal vom Sender zum Empfänger benötigt nutzen um die Entfernung zu dem Satelliten zu berechnen. Für die Berechnung des Standorts im Referenzsystem werden nun drei Signale zur Trilateration des Längen- und Breitengrads sowie der Höhe des Empfängers genutzt. Das vierte Signal wird verwendet um den Zeitunterschied zwischen den genauen Atomuhren und der deutlich weniger genauen Uhr im Empfängergerät zu bestimmen und auszugleichen. [1]
2.1.2 Die Bodensegmente (Ground Segments)
Der Begriff Bodensegment bezeichnet die Gesamtheit aller Komponenten auf der Erde, welche dem Zweck der Satellitenkommunikation dienen. Der Kern des Bodensegments bei Galileo besteht aus zwei Kontrollzentren welche sich jeweils um das Galileo Kontrollsegment (Galileo Control Segment) und das Galileo Missionssegment (Galileo Mission Segment) kümmern sowie ein weltweites Netzwerk aus Empfangs- und Sendestationen.
Die Aufgabe des Galileo Kontrollsegments liegt ganz generell in der Verwaltung der einzelnen Satelliten sowie darin, die Integrität der Satelliten-Konstellation beizubehalten. Um diese Aufgabe zu erfüllen gibt es zwei redundante Galileo Kontrollzentren in Oberpfaffenhofen und Fucino, Italien.
Das Galileo Missionssegment ist zuständig für die Berechnung und den Upload der Navigationsdaten der Satelliten. Die Navigationsdaten sind neben der Zeit eine Schlüsselkomponente für die Berechnung des Standorts. [2]
2.1.3 Das Nutzersegment (User Segment)
Um aus den ankommenden Signalen den Standort des Nutzers zu berechnen wird spezielle Hardware benötigt. Diese wird als das Galileo Nutzersegment bezeichnet und die Aufgaben dessen lassen sich grob in drei Schritte gliedern. [3]
Zunächst müssen die von den Satelliten versendeten Signale empfangen, verstärkt und nachkorrigiert werden. Dies ist notwendig da die Sendeleistung der Galileo Satelliten bei lediglich 50 Watt liegt. Möchte man nun das Signal auf der Erdoberfläche empfangen lässt sich dies mit dem Versuch vergleichen, das Licht eines handelsüblichen KFZ-Scheinwerfers, welcher von der einen Seite Europas auf die andere leuchtet zu detektieren. Durch die geringe Sendeleistung sowie die nachträgliche Verstärkung empfängt der Empfänger stark verrauschte und dopplerverschobene Signale. Um an die in den Funkwellen codierten Informationen zu gelangen und eine Zuordnung zum entsprechenden Satelliten möglich zu machen wird auf einem anderen Band zusätzlich ein Pseudorauschsignal mit einem charakteristischen Spreizcode versendet. Dies macht die Zuordnung welcher Satellit das entsprechende Signal übermittelt hat erst möglich, da jeder einen individuellen Spreizcode besitzt. Außerdem lässt sich genau das Rauschen bestimmen, mit dem das Signal verfälscht wurde, da sich der Inhalt des Pseudorauschsignal nicht ändert, und somit aus dem eigentlichen Signal herausrechnen lässt. [4]
In einem zweiten Schritt werden nun die Distanzen zum Satelliten errechnet indem man die Übertragungsdauer des Signals mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert. Da in den Empfängern jedoch üblicherweise relativ ungenaue Quarzuhren zur Zeitbestimmung zum Einsatz kommen, weißt die Übertragungsdauer einen Fehler um die Zeitverschiebung der Quarzuhr auf. Durch das Nutzen eines vierten Signales lässt sich diese Zeitverschiebung annähern. Korrekt wäre dementsprechend der Begriff Pseudodistanz, da die Distanz zum Satelliten einen gewissen Fehler aufweist. Würde man versuchen die Position lediglich mit drei Satelliten und einer Quarzuhr zu bestimmen würde die Ungenauigkeit der Quarzuhr, welche im Schnitt bei einem Fehler von einer Millionstel Sekunde pro Sekunde liegt, multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit eine Ungenauigkeit von 300 Meter ergeben. [5]
Um nun die Position des Empfängers zu errechnen müssen alle bereits ermittelten Variablen in ein Gleichungssystem eingesetzt und aufgelöst werden was auch zugleich Schritt drei darstellt. Es lässt sich festhalten: sind die Pseudodistanzen, die Position von vier Satelliten und dementsprechend der Zeitfehler bekannt, lassen sich die x, y und z Koordinaten des Empfängers genau bestimmen.
2.2 Berechnung der Position
In diesem Kapitel werde ich zunächst die Bestimmung der Position eines Beobachters im zweidimensionalen Raum erläutern und darauf das Prinzip in das Dreidimensionale übertragen. Anschließend werde ich noch Methoden zum Verbessern der Genauigkeit von Galileo vorstellen.
2.2.1 Ortsbestimmung im Zweidimensionalen
Wie bereits im vorrausgehenden Kapitel 2.1 vermittelt stellt die Dauer, die ein Signal benötigt den Kern von Galileo sowie aller anderen Satelliten Navigationssysteme dar. Um die Bestimmung der Position eines Punktes anschaulich zu erklären bediene ich mich eines Beispiels anhand von Leuchttürmen. Gehen wir nun davon aus das ein Leuchtturm kein Licht, sondern eines sehr lautes Akustisches Signal in einem regelmäßigen Abstand ausstrahlt, sowie das die Uhren Empfänger und Sender perfekt synchronisiert sind, dies ist in der Realität natürlich nicht so. Da der Schall in regelmäßigen Abständen ausgesendet wird kann der Empfänger über die benötigte Übertragungsdauer der Schallwellen seine Entfernung zum Sender berechnen. Bei einer Signallaufzeit von 15 Sekunden lässt sich der Abstand auf berechnen indem man die Signallaufzeit von 15 Sekunden mit der Schallgeschwindigkeit von ungefähr multipliziert. Der Abstand ist dementsprechend: . Dies bedeutet aber auch dass sich der Empfänger überall auf eine Kreisbahn um den Sender befinden kann.
Mathematisch ausgedrückt: Sind die Koordinaten eines Punktes S sowie der Abstand von S zu einem anderen unbekannten Punkt E bekannt, so befindet sich Punkt E auf dem Kreisumfang mit Punkt S als Kreismittelpunkt. Die Länge ist der Radius r des Kreises (siehe Abbildung 2). In diesem Beispiel beträgt der Radius des Kreises 5100 Meter.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: Punkt E auf einer Kreisbahn zum Mittelpunkt S mit Abstand r – Eigene Darstellung
Es wird angenommen das die Kreise zwei Schnittpunkte miteinander haben was nicht zwangsläufig der Fall ist.
Um nun die Position des Empfängers weiter einzugrenzen muss dieser das akustische Signal eines weiteren Leuchtturms empfangen und für diesen ebenfalls nach bereits genannter Methodik den Abstand zum Signalursprung berechnen. Die möglichen Standorte des Empfängers begrenzen sich dadurch auf die Schnittpunkte beider Kreisumfänge da der Empfänger somit von beiden Signalquellen um den jeweiligen Kreisradius entfernt ist (siehe Abbildung 3). Als Konsequenz daraus sind nur noch zwei mögliche Punkte übrig. [6]
Abbildung 3: Schnittpunkte zweier Kreise – Eigene Darstellung
Damit der Standort eindeutig bestimmt werden kann ist ein drittes Signal notwendig dessen Kreisumfang sich mit dem der beiden anderen Signale schneidet. Die Position des Empfängers lässt sich somit genau auf den Schnittpunkt der drei Kreise miteinander festlegen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: Schnittpunkt dreier Kreise in einem gemeinsamen Punkt – Eigene Darstellung
[...]
[1] An Umlauf der Erde um die Sonne gekoppelt
[2] Berücksichtig die Rotation der Erde um sich selbst
- Quote paper
- Anonymous,, 2018, Das Satellitennavigationssystem "Galileo". Wie erfolgt die digitale Positionsbestimmung?, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/470702
