Globale Navigationssatellitensysteme - Cheatsheet

Definition und Historie von GNSS

Definition:

GNSS (Globales Navigationssatellitensystem) bezeichnet satellitenbasierte Systeme zur Positionsbestimmung und Navigation. Kernkomponenten: Satelliten, Bodenkontrollstationen, Nutzerempfänger.

Details:

• Erster GNSS: Transit (USA, 1960er Jahre)
• Wichtigste GNSS: GPS (USA), GLONASS (Russland), Galileo (EU), BeiDou (China)
• GPS: Start 1978, voll funktionsfähig 1995
• GLONASS: Start 1982, voll funktionsfähig 1996 (Modernisierung seitdem)
• Galileo: Start 2011, voll funktionsfähig ab ca. 2020
• BeiDou: Start 2000, global voll funktionsfähig 2020
• GNSS-Funktionsweise: Zeitmessung zwischen Satellitensignalen und Empfänger

Signalstruktur der GNSS-Satelliten

Definition:

Struktur der Signale, die von GNSS-Satelliten ausgesendet werden, um Positionierung und Navigation zu ermöglichen.

Details:

• Trägerfrequenzen: L1 (1575,42 MHz), L2 (1227,60 MHz), L5 (1176,45 MHz).
• Signalarten: C/A-Code, P(Y)-Code, M-Code, L2C, L5.
• Modulationsarten: BPSK (Binary Phase Shift Keying), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying).
• Übertragung von Pseudorandom Noise (PRN) Codes zur Satellitenidentifikation und zur Berechnung von Laufzeiten.
• Demodulierung: Ableitung der Frequenz und Phase für präzise Entfernungsbestimmung.
• Dateninhalte: Almanachdaten, Ephemerisdaten, Uhrkorrekturen.
• Signalbandbreite: Abhängig vom genutzten Signal (z.B. 2 MHz für C/A-Code auf L1).

Keplersche Gesetze in der Orbitalmechanik von GNSS

Definition:

Orbitale Bewegung von GNSS-Satelliten basiert auf den Keplerschen Gesetzen; ermöglicht Vorhersage der Satellitenposition.

Details:

• 1. Gesetz: Satelliten bewegen sich auf elliptischen Bahnen mit der Erde in einem Brennpunkt.
• 2. Gesetz: Die Verbindungslinie Erde-Satellit überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächen.
• 3. Gesetz: Das Quadrat der Umlaufzeit \(T\) eines Satelliten ist proportional zur dritten Potenz der großen Halbachse \(a\) seiner Bahn: \[ T^2 \, \text{proportional zu} \, a^3 \]
• Keplerbahnen sind Basis für Orbitberechnungen und Satellitenverfolgung.

Differential GNSS (DGNSS) und Echtzeit-Kinematik (RTK)

Definition:

Differentielles GNSS (DGNSS) und Echtzeit-Kinematik (RTK) sind Techniken zur Verbesserung der Genauigkeit von GNSS. DGNSS verwendet Korrektursignale von Referenzstationen, RTK verwendet Phasenmessungen des Trägersignals.

Details:

• DGNSS: Korrektursignale von Basisstationen, Genauigkeit: ca. 1m
• RTK: benutzt Phasenmessungen und Referenzstationen, Genauigkeit: cm-Bereich
• RTK-Korrektur: Positionsermittlung durch Vergleich mit Referenzstation
• Formel für Korrektursignal: \( \text{Korrektur} = \text{Roverposition} - \text{Basisposition} \)

Fehlerquellen wie atmosphärische Einflüsse und deren Korrektur

Definition:

Atmosphärische Einflüsse wie Ionosphären- und Troposphärenverzögerungen beeinflussen die Signale in GNSS und führen zu Fehlern, die korrigiert werden müssen.

Details:

• Ionosphärische Verzögerung: Störung durch freie Elektronen in der Ionosphäre, positive und negative Effekte auf verschiedene Frequenzen.
• Korrektur: Zweifrequenzmessungen (\textit{Dual-Frequency}) verwenden, um die Verzögerungen zu berechnen und zu kompensieren.
• Troposphärische Verzögerung: Beeinflusst durch Temperatur, Druck und Feuchtigkeit in der Troposphäre, wirkt auf alle Frequenzen gleich.
• Korrektur: Modelle wie das \textit{Saastamoinen-Modell} oder meteorologische Daten zur Kompensation der Verzögerung verwenden.

Modulationsverfahren und ihre Auswirkungen

Definition:

Modulationsverfahren werden in GNSS verwendet, um Signale zu übertragen und Informationen zu kodieren.

Details:

• Trägerphasenmodulation: Manipulation der Phase des Trägersignals. Beispiel: BPSK (Binary Phase Shift Keying).
• Frequenzmodulation: Ändert die Frequenz des Trägersignals. Weniger üblich in GNSS.
• Auswirkungen: Wiedererkennung und Präzision des Signals, Empfängerleistung, Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), Störanfälligkeit.
• BPSK: Verwendet für präzise Entfernungsmessung und robust gegen Rauschen.
• QPSK (Quadrature Phase Shift Keying): Höhere Datenrate durch mehr Phasenzustände, jedoch komplexere Demodulation.

Einsatzgebiete von GNSS in der Vermessung und Kartografie

Definition:

Einsatzgebiete von GNSS in der Vermessung und Kartografie: Präzise Bestimmung von Positionen und Höhen, Erstellung und Aktualisierung von Karten

Details:

• Hohe Genauigkeit: Differential GNSS (DGNSS) verbessert die Genauigkeit auf wenige Zentimeter
• Geodätische Anwendungen: Festpunkte setzen, Landesvermessung
• Ingenieurvermessung: Bauprojekte, Straßenbau, Brücken
• Landwirtschaft: Feldbegrenzungen, Erntemuster kartieren
• Fernerkundung: Integration von Satellitendaten und GNSS für Geodaten
• Geografische Informationssysteme (GIS): Datenintegration und -anreicherung
• Automatisierte Kartierung: Drohnen und autonome Fahrzeuge

Integration von GNSS in andere Systeme

Definition:

Integration von GNSS in Systeme für erweiterte Funktionalitäten wie präzise Positionierung und Synchronisation.

Details:

• GNSS-Daten für Navigationssysteme und Geoinformationssysteme genutzt (z.B. in Fahrzeugen).
• Kombination mit Inertialnavigationssystemen (INS) zur Verbesserung der Genauigkeit.
• Synchronisation von Telekommunikationsnetzen mit GNSS-Zeitreferenzen.
• Landwirtschaftliche Anwendungen (Precision Farming) durch GNSS-Technologien.
• GNSS-Daten in autonomen Systemen (Roboter, Drohnen) für präzise Bewegungen.