Die GNSS-Satellitenortung ist im Alltag von jedem Tag präsent. Mit einer Vielzahl von Anwendungsbereichen ist ihre Funktionsweise oft wenig bekannt. Wie funktioniert das? Von der Theorie zur Praxis, die grundlegenden Prinzipien der GNSS-Positionierung
Wir verdanken das Global Positioning System ( GPS ) dem amerikanischen Militär. Ab 1973 entwickelte es die erste Satellitenortungstechnologie. Ursprünglich ausschließlich für militärische Zwecke reserviert, wurde das GPS im Jahr 2000 für zivile Anwendungen freigegeben. Im Laufe der Jahre hat es einen unverzichtbaren Platz in der Gesellschaft eingenommen.
Und obwohl die Alltagssprache oft nur den Begriff „GPS“ verwendet, um diese Technologie zu beschreiben, ist es heute richtiger, vom Globalen Navigationssatellitensystem ( GNSS ) zu sprechen. Tatsächlich haben andere Konstellationen und Positionierungssysteme das amerikanische GPS ergänzt.
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Heute haben wir Tausende von Satelliten um die Erde. Dazu gehören Satelliten der amerikanischen GPS-Konstellation, des russischen GLONASS, des europäischen GALILEO, des chinesischen BEIDOU… Nicht alle sind jedoch bereits zu 100 % betriebsbereit. Das gilt für GALILEO und BEIDOU, die bis 2020 einsatzbereit sein sollten.
Das Funktionsprinzip basiert auf der Schnittmenge der von den Satelliten ausgestrahlten elektromagnetischen Signale. Der Benutzer erkennt die Satellitensignale, die Benutzer-Satelliten-Segmente definieren, deren geometrische Schnittmenge die Ortung ermöglicht.
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Um überall und jederzeit funktionsfähig zu sein, nutzen die aktuellen Lösungen Signale aus mehreren Konstellationen. Diese Überlappung von Informationen ermöglicht eine bessere Genauigkeit, nahezu sofortige Konvergenzzeiten und eine Verfügbarkeit rund um die Uhr weltweit.
Die Genauigkeit der Empfänger liegt bestenfalls im metrischen Bereich. Verschiedene Berechnungen und Strategien werden eingesetzt, um diese Genauigkeit zu verbessern. TERIA ist eines der Werkzeuge zur Erhöhung der Genauigkeit. Es ermöglicht dem Benutzer, eine zentimetergenaue und Echtzeit-Genauigkeit zu erreichen.
Das Aufkommen neuer zentimetergenauer Lösungen ermöglicht es, neue Anwendungsbereiche anzugehen: autonome Fahrzeugführung, maritime Anwendungen, Drohnen usw.
Die nominalen operativen Konstellationen GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU… bestehen aus mehreren Dutzend Satelliten, die in einer Höhe von fast 20.000 km entlang gleichmäßig verteilten Orbits operieren, um alle Kontinente abzudecken .
Dank dieser Abdeckung ist der Benutzer in der Lage, je nach seiner Position auf der Erde gleichzeitig zwischen fünf und fünfunddreißig Satelliten zu sehen.
Jede Konstellation wird von Kontrollstationen überwacht und gesteuert, die die Informationen (Positionen, Ephemeriden und Korrektur der Uhren) aller Satelliten aktualisieren. Diese verbreiten dann ihre Parameter zur Erde durch elektromagnetische Wellen, die codierte Signale transportieren.
Die Satelliten GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU… verfügen überAtomuhren, die eineextrem präzise Zeitmessung liefern. Die zeitlichen Informationen werden in den von den Satelliten ausgestrahlten Codes platziert. Der Empfänger bestimmt dann ständig die Uhrzeit, zu der das Signal ausgestrahlt wurde. Das Signal enthält auch orbitalgeometrische Daten, damit der Empfänger die Position der Satelliten berechnen kann. Dies wird als Navigationsinformationen bezeichnet.
Der GNSS-Empfänger (Telefon, Topografie, Landwirtschaft, Auto/Luftnavigationssystem…) nutzt die Zeitdifferenz zwischen dem Empfang und der Ausstrahlungszeit des Signals , um die Entfernung zwischen dem Empfänger und dem Satelliten zu bestimmen. Der Empfänger multipliziert die Laufzeit mit der Lichtgeschwindigkeit, um die Entfernung zwischen Empfänger und Satellit zu berechnen.
So kann ein mobiles GNSS, das Signale von mindestens vier Satelliten empfängt, jeden Punkt, der sich in Sichtweite der Satelliten befindet, dreidimensional genau lokalisieren. Dazu verwendet es die Schnittmenge dieser Satelliten-Empfänger-Vektoren.
Dennoch erfordern selbst in Abwesenheit von Hindernissen wichtige Störfaktoren eine Korrektur der Berechnungsergebnisse . Der erste ist das Durchqueren der unteren Schichten der Atmosphäre, der Troposphäre. Die Anwesenheit von Feuchtigkeit und Druckänderungen in der Troposphäre verändert den Brechungsindex und damit die Geschwindigkeit und Richtung der Signalübertragung des Satelliten.
Der zweite Störfaktor ist die Ionosphäre. Diese durch Sonnenstrahlung ionisierte Schicht verändert die Geschwindigkeit der Signalübertragung. Die meisten Empfänger integrieren einen Korrekturalgorithmus.
Der dritte und letzte Schritt besteht darin, eine präzise Position zu bestimmen. Der Empfänger wird in der Lage sein, eine Trilateration der Position anhand der gesammelten Entfernungsdaten zwischen dem Empfänger und mehreren Satelliten durchzuführen.
Ein GNSS-Empfänger benötigt mindestens 4 Satelliten, um seine eigene Position berechnen zu können. Drei Satelliten bestimmen die Breite, die Länge und die Höhe. Der vierte ermöglicht die Synchronisation der internen Uhr des Empfängers.
Um die Demonstration zu veranschaulichen, stellen wir uns einen 2D-Plan vor. Das Prinzip wird identisch sein, um in den 3D-Raum überzugehen. Nur die Kreise werden durch Sphären ersetzt.
Angenommen, der Empfänger befindet sich 25.000 km von einem bestimmten ersten Satelliten entfernt. Das bedeutet, dass der Empfänger sich irgendwo auf dem 25.000 km großen Kreis mit dem Satelliten als Zentrum befinden kann.
Die Box wird auch ein Signal von einem zweiten Satelliten in 20.000 km empfangen, zum Beispiel. Sie wird schließen, dass sie sich ebenfalls auf diesem Kreis befindet. Ihre genaue Position wird an der Schnittstelle der beiden Kreise liegen, das heißt, es gibt zwei Möglichkeiten.
Um zu bestimmen, welche dieser Möglichkeiten korrekt ist, ist das Signal eines dritten Satelliten erforderlich. Für die Demonstration stellen wir uns vor, dass dieser einen Durchmesser von 15.000 km hat.
An der Schnittstelle dieser drei Kreise bleibt nur ein möglicher Punkt in einem 2D-Plan. Dies ist die Geolokalisierung unseres Empfängers.
Wischen Sie, um von 2D auf 3D zu wechseln
Um in 3D zu wechseln, wäre also ein 4. Satellit erforderlich, da die Schnittmenge von 3 Sphären 2 Punkte ergibt. Wir können jedoch darauf verzichten, da nur einer der beiden Punkte geometrisch konsistent ist. Und somit gäbe es noch eine Möglichkeit, auszuschließen.
Dennoch ist die Verwendung eines 4. Satelliten erforderlich , da er Lösungen in Bezug auf die Zeit der Signalübertragung liefert. GNSS-Empfänger am Boden haben nur grobe Uhren, die nicht die Genauigkeit der satellitengestützten Atomuhren haben. Das Ergebnis ist eine Desynchronisation, die gelöst werden muss, um die Entfernung zwischen Empfänger und Satellit zu kontrollieren und anschließend eine korrekte Geolokalisierung zu erhalten.
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Das Beispiel bezieht sich auf die Verwendung von vier Satelliten, aber GNSS-Empfänger sind in der Lage, viele Satelliten gleichzeitig zu verfolgen (Stationen, Topografie, Telefon, Navigationsgerät…). Dies verbessert die Genauigkeit, die Konvergenzzeit, die Abdeckung und reduziert das Risiko von Fehlern.
Im Durchschnitt kann ein Empfänger 7Satelliten der gleichen Konstellation erfassen (14 Satelliten bei GPS — GALILEO). Für die zentimetergenaue Positionierung sind mindestens 5 Satelliten unerlässlich.
Derzeit sind 129 Satelliten für die Satellitenortung aktiv und für zivile Anwendungen verfügbar:
Für Anwendungen, bei denen zentimetergenaue Präzision entscheidend ist (autonomes Fahrzeug, Bathymetrie, Topografie…), reicht das nicht aus. Tatsächlich können Verzerrungen bei der Signalübertragung zu Fehlern von mehreren Metern führen. Dies ist insbesondere im Durchgang durch die atmosphärischen Schichten der Fall.
<pEinige Lösungen wie TERIA können diese Messfehler korrigieren und eine zentimetergenaue Positionierung von 1-2 cm in Echtzeit bieten.
Sie basieren auf Empfängernetzwerken, die alle mit den Rechenzentren verbunden sind, die alle Fehler und Rückkorrekturen (PPP, PPP-RTK, NRTK und RTK) in Echtzeit an die Benutzer modellieren
Um ein Objekt auf der Erde mathematisch eindeutig zu lokalisieren, ist es notwendig, einen geodätischen Bezugspunkt zu definieren, der durch geografische Koordinaten ausgedrückt wird, die am häufigsten: Breite, Länge und Höhe (oder Elevation) über dem mittleren Meeresspiegel (orthometrische Höhe) oder im Verhältnis zu einer Referenzfläche, in der Regel ellipsoid (ellipsoidale Höhe).
Historisch wurden geodätische Systeme aus Winkelmessungen und Längenmessungen bestimmt. Ein geodätisches System war mit einem geodätischen Netzwerk verbunden, einer Reihe von Punkten, deren Koordinaten aus terrestrischen Messungen bestimmt worden waren.
Die Raumfahrttechnologie hat es ermöglicht, globale geodätische Systeme zu definieren. Das weltweit am häufigsten verwendete geodätische System ist das World Geodetic System 1984 ( WGS84 ), das mit dem amerikanischen GPS-Positionierungssystem verbunden ist.
Quelle: color-science.eu gnssplanning.com Möchten Sie TERIA für Ihr Unternehmen ausprobieren?
Tag : GPS aktualisieren