Grundlagen der Satellitennavigation

Grundlagen der Satellitennavigation

Durch die rasante Entwicklung im Bereich der Raumfahrt wurde Ende der 70er bis Mitte der 80er Jahre mit dem Aufbau von Global Navigation Satellite Systems, kurz GNSS, begonnen. Das Bedürfnis nach solchen globalen Navigationssystemen war anfangs ausschließlich militärischer Natur. Jedoch haben diese Systeme über die Jahre auch im zivilen Bereich an Bedeutung gewonnen und sind heute im alltäglichen Leben nicht mehr wegzudenken.

Im Wesentlichen basiert das Funktionsprinzip der Satellitennavigation auf der Messung von Signallaufzeiten. Um in einem dreidimensionalen Raum eine exakte Positionsbestimmung durchzuführen, werden lediglich drei Fixpunkte benötigt. Bei der Satellitenavigation fungieren die einzelnen Satelliten als Fixpunkte. Zusätzlich werden noch die Umlaufbahnen der Satelliten, sowie eine gemeinsame Referenzzeit benötigt. Zur Bestimmung der Referenzzeit dient ein vierter Satellit. Aus der Position der Satelliten zum Zeitpunkt der Messung und den Laufzeiten der Satellitensignale (Schrägentfernungen) lässt sich die exakte Position des Empfängers zur Messzeit ermitteln (s. Abbildung unten).

 

Allgemeines Funktionsprinzip der Satellitennavigation

Die Positionsgenauigkeit steht jedoch in direkter Abhängigkeit von der aktuellen Satelliten-Geometrie. D.h. falls die Satelliten zu eng beieinander stehen, resultiert daraus eine schlechtere Auflösung der Winkel, was wiederum zu einem größeren Positionsfehler führt. Deshalb sollte der Raum, welcher durch die Satelliten aufgespannt wird, sehr groß sein.

Um eine Aussage bezüglich der aktuellen Qualität der Satelliten-Geometrie zu treffen, wird die Dilution of Precision (DOP) angegeben. Hierbei handelt es sich um Faktoren, die nach Multiplikation mit der Messgenauigkeit, die aktuelle Positionsgenauigkeit zur Messzeit ergeben. Somit entspricht ein DOP von eins einer optimalen Genauigkeit.

Neben der aktuellen Satelliten-Geometrie gibt es noch weitere Faktoren, welche sich auf die Messgenauigkeit auswirken und nachfolgend kurz erläutert werden.

   •    Störung des Navigationssignals durch Ionosphäre - Dieser Atmosphärische Einfluss bewirkt eine Verzögerung der Signallaufzeit. Da frequenzabhängig, kann dieser Einfluss unter Verwendung zweier Sendefrequenzen empfängerseitig kompensiert werden. Diese Störung ist dominant.

   •   Störung des Navigationssignals durch Troposphäre - Dieser Atmosphärische Einfluss bewirkt eine Verzögerung der Signallaufzeit und ist insbesondere abhängig von Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Entsprechende Modelle zur empfängerseitigen Kompensation sind verfügbar.

   •   Störung des Signalempfangs durch Mehrwegausbreitung (engl. Multipath) - Diese Störung ist bedingt durch Reflexionen des Navigationssignals in der Umgebung des Empfängers. Hierdurch ergeben sich Mehrdeutigkeiten, die bei Positionierungsaufgaben im Extremfall bis zu 100 m Abweichung von der realen Position ergeben können (Wert gültig für GPS). Moderne Empfänger sind bis zu einem gewissen Grade in der Lage derartige Mehrdeutigkeiten zu identifizieren. Strategien zur Kompensation dieses Einflusses sind allerdings noch Bestandteil von wissenschaftlichen Untersuchungen z.B. durch Institute des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).


•    Weitere Störquellen, wie etwa empfängerseitiges Rauschen und Phasensprünge seien an dieser Stelle lediglich erwähnt.

 

Quelle: Skript Navigation I (Beyer/Wigger) TU Darmstadt