Satellitengestützte Ortsbestimmung - Cheatsheet

Architektur von Satellitensystemen

Definition:

Grundstruktur und Aufbau von Satellitensystemen zur Positionsbestimmung und Navigation.

Details:

• Weltraumsegment: Satelliten im Orbit, senden Signale zur Erde
• Bodensegment: Bodenstationen, überwachen und steuern Satelliten
• Benutzersegment: Empfängergeräte, nutzen Signale zur Positionsbestimmung
• Geometrie: Konstellationen wie GPS, GLONASS, Galileo mit spezifischen Umlaufbahnen
• Frequenzen: L1, L2, etc. - Signalfrequenzen für Kommunikation zwischen Satelliten und Empfängern

GPS: Grundlagen, Funktionsweise und Komponenten

Definition:

GPS ermöglicht die Bestimmung der Position und Zeit basierend auf Satellitensignalen.

Details:

• Grundlagen: Global Positioning System (GPS) verwendet Signale von Satelliten zur Positionsbestimmung.
• Koordinaten: Berechnung erfolgt mittels Laufzeitmessung der Signale zu mindestens vier Satelliten.
• Funktionsweise: Trilateration, um exakte Position zu ermitteln.
• Komponenten:
  • Weltraumsegment: Satelliten in mittlerer Erdumlaufbahn (MEO).
  • Kontrollsegment: Bodenstationen zur Steuerung und Überwachung der Satelliten.
  • Benutzersegment: GPS-Empfänger, die Signale empfangen und auswerten.

Konstellationen und Signalstrukturen

Definition:

Grundlagen der Satellitenanordnung und Signalspezifikationen für die präzise Positionsbestimmung.

Details:

• Satellitenkonstellation: Anordnung der Satelliten in Orbits, oft als mittlere Erdumlaufbahn (MEO) für GPS
• Signaltypen: L1, L2, und L5 Frequenzen für GPS; genutzt zur Reduzierung von Ionosphärenfehlern
• Code-Division Multiple Access (CDMA): Technik zur Signalkodierung, ermöglicht simultane Übertragung mehrerer Signale auf derselben Frequenz
• Trägerphasenmessung: Präzise Messung der Phasenverschiebung des Trägersignals zur Verbesserung der Ortsbestimmung
• Pseudorandom Noise (PRN): Pseudozufällige Codes zur Identifikation und Synchronisation der Satellitensignale
• Almanachdaten: Orbitalparameter der Satelliten zur Vorhersage ihrer Positionen
• Navigationsnachricht: Informationen über Satellitenstatus, Korrekturdaten und Timing-Informationen

Korrelation und Synchronisation

Definition:

Korrelation und Synchronisation sind wesentliche Prozesse in der satellitengestützten Ortsbestimmung, die zur genauen Bestimmung der Positionsdaten verwendet werden.

Details:

• Korrelation: Vergleich des empfangenen Satellitensignals mit einem lokal generierten Referenzsignal
• Cross-Korrelationsfunktion: Maximierung zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz \( \tau \)
• Synchronisation: Anpassung von Empfängeruhr und Satellitenuhr zur Minimierung der Zeitdifferenz
• Formel zur Berechnung der Zeitdifferenz: \[ R_{xy}(\tau) = \int x(t) y(t + \tau) dt \]
• Genauigkeit der Synchronisation beeinflusst die Positionierungsgenauigkeit direkt

Atmosphärische Störungen

Definition:

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Details:

• Beeinflussen die Genauigkeit der satellitengestützten Ortsbestimmung
• Von zwei Haupttypen: Ionosphärische und Troposphärische Störungen
• Ionosphärische Störungen: Veränderung der Signallaufzeit durch Elektronen in der Ionosphäre
• Troposphärische Störungen: Veränderung der Signallaufzeit durch Luftfeuchtigkeit und Luftdruck
• Modelle und Korrekturverfahren notwendig, um die Fehler zu minimieren
• Korrekturterme oft in Form von Modellen wie Klobuchar- und Saastamoinen-Modell

Uhrenfehler und Synchronisationsprobleme

Definition:

Ungenauigkeiten in den Atomuhren der Satelliten und Empfänger führen zu Fehlern bei der Positionsbestimmung.

Details:

• Uhrenfehler der Satellitenuhr: Verursacht durch Abweichungen der Atomuhren im Satelliten.
• Uhrenfehler der Empfängeruhr: Verursacht durch Abweichungen der Quarzuhren im Empfänger.
• Totale Signalverzögerung \( \tau \): \( \tau = \tau_s + \tau_r + \tau_p \)
• Korrekturmaßnahmen: Mehrfachmessungen, Differenzierung zwischen Satelliten.
• Reihenfolge der Synchronisation: Satellitenuhren -> Empfängeruhren.

Differenzielle Korrekturverfahren (z.B. DGPS)

Definition:

Technik zur Verbesserung der Genauigkeit bei der satellitengestützten Positionsbestimmung durch Nutzung differenzieller Korrekturdaten.

Details:

• Korrektur von GPS-Signalfehlern
• Referenzstation sendet Korrektursignale
• DGPS: Differentielles GPS
• Erhöhung der Genauigkeit auf 1-3 Meter
• Basiert auf dem Vergleich der gemessenen Position mit der bekannten Position der Referenzstation
• Formel zur Positionskorrektur: \(\mathbf{P}_{kor} = \mathbf{P}_{mess} + \Delta\mathbf{d}_{kor}\)

Anwendungsfelder von GPS und GNSS

Definition:

Anwendungsfelder von GPS und GNSS im Kontext der satellitengestützten Ortsbestimmung.

Details:

• Navigation: Einsatz in Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen für Routenplanung und Echtzeit-Positionierung.
• Geodäsie: Präzise Vermessung von Bodenbewegungen, Kartierung und Bauvermessung.
• Zeitmessung: Synchronisation von Netzwerken und Geräten mit hoher Präzision.
• Landwirtschaft: Präzisionslandwirtschaft zur Optimierung von Ernteerträgen und Ressourcennutzung.
• Rettungsdienste: Schadensermittlung und Hilfeeinsatzkoordination bei Notfällen.
• Freizeit: Outdoor-Aktivitäten wie Wandern, Geocaching und Sport.
• Telekommunikation: Optimierung und Synchronisation von Funknetzwerken.