Satellitennavigation GALILEO, GPS, GLONASS, Integrierte Verfahren

Hans Dodel, Dieter Häupler Satellitennavigation GALILEO, GPS, GLONASS, Integrierte Verfahren 0 Hüthig Inha Itsve rze ichnis Die Satellitennavigat...
Author: Hartmut Hofmann
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Hans Dodel, Dieter Häupler

Satellitennavigation GALILEO, GPS, GLONASS, Integrierte Verfahren

0

Hüthig

Inha Itsve rze ichnis Die Satellitennavigation 1.1 1.2 1.3 1.3.1 1.4 1.5 1.6 1.6.1 1.6.2 1.7 1.8

............................

15

Wie funktioniert Satellitenortung? ......................... 18 Die historische Entwicklung .............................. 19 20 Bewertung von Ortungssystemen .......................... Anforderungen an Funknavigationsdienste .................. 22 Datenübertragungskapazität .............................. 32 Rückwärtskompatibilität ................................. 32 Nutzeranforderungen .................................... 34 Technische Anforderungen ............................... 34 Betriebliche Anforderungen .............................. 41 43 Die Protokollebenen der Ortungsdienste .................... Literaturhinweise ....................................... 44

. . . . . . . . . 45 Die Funkortung ......................................... 45

Funkortung. Frequenzen und Satellitenbahnen 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.1.7 2.1.8 2.1.9 2.2 2.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.4.6 2.4.7 2.5

Entfernungsmessung .................................... 45 Triangulierung ......................................... 46 Quadrangulierung ...................................... 47 Biangulierung .......................................... 47 Monangulierung ........................................ 47 Hyperbelverfahren ...................................... 47 Dopplerverfahren ....................................... 48 Differential Ranging ..................................... 49 VOW/VHF ............................................. 49 50 Koppelnavigation ....................................... Automatische kooperierende Überwachung .................50 Funkfrequenzen und die ITU ............................. 54 Orbitzuweisungen ....................................... 57 Elektromagnetische Verträglichkeit; Störpegelberechnung ..... 58 Dienstekategorien und Frequenzzuweisungen ...............62 Die Koordinierung von Satelliten und Erdfunkstellen ......... 65 Institutionen: BMWA/VII. RegTP. AFmIS. CeTeCom ......... 71 Wie meldet man einen Satelliten an? Lizenzen? ............... 73 Zusammenfassung der regulatorischen Aspekte .............. 75 76 Literaturhinweise .......................................

Bahnen

.........................................

77

3.1 3.2

DieDOPs .............................................. Fehler bei der Entfernungsmessung ........................

79 79

8

Inhaltsverzeichnis

3.3 3.4 3.5 3.5.1 3.5.2 3.6 3.7 3.8 3.8.1 3.8.2 3.8.3 3.9 3.10 3.11 3.11.1 3.12

Die Pyramide über dem Nutzer ........................... 81 Der geosynchrone Erdgürtel . G E 0 ........................ 82 Kreisbahnen mittlerer Höhe . ME0 ....................... 82 Bahnhöhe ............................................. 84 85 Inklination ............................................. IGSO/Tanja ......... 86 Inklinierte geosynchrone Kreisbahnen . Hoch inklinierte elliptische Bahnen . H E 0 .................. 87 Heterogene Systeme in unterschiedlichen Bahnen . . . . . . . . . . . . 89 Die Optimierung der Konstellation ........................ 89 Die Definition der Konstellation durch Walker .............. 91 Bewertungskriterien zu den Bahnen ........................ 91 Die Konstellationsgüte ................................... 93 Bewertungder Bahnen ................................... 96 Zusammenfassung ...................................... 97 Zusammenfassung der Bahnen ............................ 97 Literaturhinweise ....................................... 98

Die Systemfaktoren 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.8.1 4.9 4.9.1 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14

.............................

Die Verfügbarkeit der Signale im Raum .................... 104 Signalausfälle in Erdnähe und im Empfänger ............... 105 Mehrwegeeffekte . Multipath Effects ...................... 106 Funkstörungen . Radio Interference ...................... 108 Störsender . Jamming .................................. 108 Spoofing ................................ 109 Täuschsender . Die Zusammenfassung der Signale im Raum . . . . . . . . . . . . . . . 109 Uhr und Synchronisation ............................... 110 Leistung der Uhren ..................................... 110 112 Die Relativität ......................................... Relativitätsprinzip ...................................... 113 Die Zuverlässigkeit ..................................... 116 Satellitenausfälle ....................................... 117 Solarprotuberanzen . Sun Protuberances .................. 118 Wartung der Satellitenkonfiguration ...................... 118 Literaturhinweise ...................................... 119

Architekturkonzepte zur Navigationsnutzlast 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.2 5.2.1

101

.........

Die Erzeugung des Navigationssignals am Boden oderhnd im Satelliten ........................................... Nutzlast-Dimensionen .................................. Nutzlast-Parameter .................................... Nutzlast-Bewertung .................................... Streckenbilanzen ....................................... Referenzbudgets .......................................

121 121 122 123 124 124 124

Inhaltsverzeichnis 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6 5.3.7 5.3.8 5.4 5.5

9

Ausbreitungseffekte als Funktion der Trägerfrequenz . . . . . . . . 132 Ausbreitungsverluste als Funktion der Trägerfrequenz ........ 135 Atmosphärische Verluste gegen Frequenz .................. 136 Regendämpfung gegen Frequenz ......................... 137 Satellitenkonstellationen und Orbitparameter . . . . . . . . . . . . . . 140 Kriterien der Satellitenkonstellation ....................... 140 Verbesserungen der Konstellationsverfügbarkeit ............ 140 Bedarfsanalyse bei der satellitengestützten Überwachung . . . . . 141 Bewertung der Konstellationen ........................... 146 Lokale Verbesserungen durch Pseudolites ..................148 Analyse der Kontinuität ................................. 149 Die Integrität als Wahrscheinlichkeitswert . . . . . . . . . . . . . . . . . .154 154 Bewertung der Performance-Kriterien ..................... 155 Zusammenfassung ..................................... Literaturhinweise ...................................... 158

SatNav-Systeme der 70er-Jahre .GNSS-1 . . . . . . . . . . . . . 159 6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.5 6.1.6 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.2.6 6.2.7 6.2.8 6.2.9 6.3 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6.4.5 6.5 6.6 6.7

GPS/NAVSTAR........................................ 160 Die Anfänge ........................................... 161 Die Systemparameter ................................... 162 DieDienste ........................................... 162 Lebenserwartung von Navigationssatelliten am Beispiel GPS.1. GPS-II ......................................... 164 Die derzeitige GPS-Flotte ................................ 166 Der Datenrahmen ...................................... 168 169 Der GPS-Empfang ..................................... Die Signalstruktur der GPS-Signale ....................... 170 Fehlerquellen bei der GPS-Ortung ........................ 170 Zeitstandards in den Satelliten ........................... 171 171 Selbststörung - Self Jamming ............................ Fremdstörung - Jamming ............................... 172 Geschützter GPS-Empfang .............................. 172 Täuschung - Spoofing .................................. 173 Empfänger ohne Kenntnis des Codes - Codeless Receivers . . . . 173 Chiffrierung der GPS-Signale ............................ 173 GPS-III ............................................... 174 GLONASS ............................................ 175 Entwicklung und Systembeschreibung ..................... 176 Die Systemparameter ................................... 177 Die Signale und Frequenzen ............................. 178 180 Der Datenrahmen ...................................... Die Streckenbilanz ..................................... 180 180 COSPAS-SARSAT ...................................... Zusammenfassung ..................................... 182 Literaturhinweise ...................................... 182

Inhaltsverzeichnis

10

GALILEO .GNSS-2 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.3.6 7.3.7 7.3.8 7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.5 7.6 7.7

..............................

183

Die Anforderungen an GALILEO ......................... 186 Die GALILEO-Systemarchitektur ......................... 188 Das Raumsegment ..................................... 189 Das Bodensegment ..................................... 191 Zusammenfassung Bodensegment ........................ 193 193 Das GALILEO-System .................................. Die Funknavigationsdienste von GALILEO ................. 195 Öffentlich zugänglicher Dienst . Open Service .............. 196 Sicherheitskritischer Dienst . Safety of Life Service .......... 197 Search and Rescue (SAR) ............. 200 Suchen und Retten . Systemexterner Integritätsdienst . System external integrity Service ........................................ 200 Systemexterner Fernmeldedienst . System external comm’s Service ........................................ 201 Der GALILEO-Frequenzplan ............................ 201 Zusammenfassung Frequenzen ........................... 206 Die Auslegung eines Satellitennavigationssystems . . . . . . . . . . . 207 Ortsabhängige Genauigkeit .............................. 212 GALILEO-Satelliten-Antennen ........................... 213 Signalakquirierung und Fix-Rate ......................... 213 Status des GALILEO-Systems ............................ 214 Zusammenfassung ..................................... 214 Literaturhinweise ...................................... 215

Navigationssysteme der 3 . Generation .GNSS-3 . . . . . . . 217 8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4 8.2 8.2.1 8.3 8.4 8.5 8.5.1 8.5.2 8.5.3 8.6 8.6.1 8.6.2 8.6.3

Systemoptimierung .................................... 219 Die Architektur ........................................ 220 Die Konstellation ...................................... 223 227 Funkfrequenzen und deren Nutzung ...................... Ubertragungstechnik ................................... 230 Gerätetechnik ......................................... 232 Dreidimensionale Vektorortung mit nur einem Satelliten ..... 233 Dienste ............................................... 235 Anwendungen ......................................... 237 Die Finanzierung im Rahmen einer Public Private Partnership ........................................... 238 PPP-Definitionsrahmen ................................. 239 240 PPP-Kriterien ......................................... PPP-Geschäfismodell ................................... 240 Der Weg zu neuen Lösungen .................... 241 GNSS-3 . 242 Rückblick auf die GNSS-2-Essentials ...................... Warum ein eigenständiges europäisches System? . . . . . . . . . . . .242 GPS-Kompatibilität . eine unnötige Forderung . . . . . . . . . . . . . 243

Inhaltsverzeichnis

8.6.4 8.6.5 8.6.6 8.7 8.8

Die C-Band-Lösung .................................... GALILEO - ein Dual-Use-System ......................... GNSSx ............................................... Zusammenfassung ..................................... Literaturhinweise ......................................

11

245 246 247 248 248

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 Bedeutung der Integration von Navigationswerten . . . . . . . . . .253

Integrierte Navigation 9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.4 9.1.5 9.1.6 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4 9.2.5 9.3 9.4 9.5 9.6 9.6.1 9.6.2 9.6.3 9.6.4 9.6.5 9.6.6 9.6.7 9.7 9.8

Vorgaben an die Integration ............................. 254 Die wirtschaftliche Problematik .......................... 255 Definition der Integrierten Navigation ..................... 256 Die Aufgabe der Software-Routinen ....................... 257 Datenfusion und Extrapolationsrechnung ..................258 259 Tightly Coupled Integration ............................. Die Elemente der Integrierten Navigation . . . . . . . . . . . . . . . . . .262 Reine Stützsensoren/Systemunterstützung . . . . . . . . . . . . . . . . .264 Bordempfänger . Smart Receivers ........................ 268 Systemnachbesserungen . System Retrofits .................269 287 Systemalternativen ..................................... Nachbesserungen, andere Systeme. Sensoren Zusammenfassung ..................................... 298 Optimale Paarung von dissimilaren Systemen . . . . . . . . . . . . . . 302 Autarke Navigationssysteme ............................. 303 Die Technik der Integrierten Navigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . .305 Integrierte Navigation und weitere Entwicklungen ........... 306 Vom Funknavigationsplan zum Navigationsplan . . . . . . . . . . . . 306 Die Wegbereiter leistungsfähiger Navigation ................ 307 Performance Tripod .................................... 307 Leistungsfähigere Navigation für Verkehr und Transport ..... 308 Navigation mit Hilfe von Komplementärquellen ............ 309 Navigation unter sicherheitskritischen Bedingungen ......... 313 Entwicklungstrends in der Navigationstechnologie .......... 314 Die Weiterentwicklung des Navigationswesens .............. 317 318 Literaturhinweise ......................................

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 Standortbestimmung von Mobiltelefonen . . . . . . . . . . . . . . . . . .319 320 Fahrzeugortung zur Mauterhebung .......................

Aktuelle Anwendungen 10.1 10.2 10.3 10.4 10.4.1 10.4.2 10.4.3

Precision Farming ...................................... 321 Lokalisieren mobiler Objekte mit Tracking and Tracing ...... 323 Die Containerverfolgung ................................ 324 Die Zugverfolgung ..................................... 326 Die Verfolgung von Flugzeugen durch die Flugsicherung ..... 328

Inhaltsverzeichnis

12

10.5 10.6 10.7 10.8

Die Raumfahrt ........................................ In-Door-Navigation .................................... Zusammenfassung ..................................... Literaturhinweise ......................................

Ordnungspolitik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 11.2 11.2.1 11.2.2 11.3 11.3.1 11.3.2 11.4 11.4.1 11.4.2 11.5 11.5.1 11.5.2 11.5.3 11.6

12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 12.10 12.11

333

Gestaltung des Navigationswesens als staatliche Aufgabe ..... 333 Die Privatisierung von Navigationsdiensten ................334 Privatwirtschaftliche Funknavigationsdienste in 335 hoheitlicher Funktion .................................. Die Abwicklung des GALILEO-Projekts in Public Private Partnership ........................................... 336 337 Reduzierung von Abhängigkeiten ........................ Das Zusammentreffen von Monopol und Dominanz ........ 337 Redundanzen für den Notfall ............................ 339 Umgang mit Haftungsfragen ............................ 341 Worst-Case-Szenario bei US-Haftungsrecht ............... 341 Integrierte Navigation als Haftungsabsicherung ............ 342 Die Rollen von Satellitennavigation und Integrierter Navigation ................................. 342 Die unterschiedlichen Interessen ......................... 343 GPS als Primary Means of Navigation ..................... 345 Integrierte Navigation als ordnungspolitisches Gebot ........ 347 Literaturhinweise ...................................... 349

Die sicherheitspolitische Bedeutung der Satellitennavigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1 12.2 12.3 12.4

330 330 331 332

351

Sicherheitspolitik und Militärpotenzial .................... 351 Die drei Begründungsebenen der Sicherheitspolitik . . . . . . . . . . 352 Die Sanktionierung von Militäreinsätzen .................. 353 Die Gestaltung von Sicherheitspolitik in westlichen 355 Demokratien .......................................... Gemeinsame Außen- und Sicherheitspolitik ................ 355 356 Militärdoktrin und Militärpotenzial ....................... Zentrale Bewaffnungsfragen gegenwärtiger Sicherheitspolitik . 357 Die Evolution der militärischen GPS-Nutzung . . . . . . . . . . . . . . 358 Die Technik ziviler und militärischer GPS-Nutzung . . . . . . . . . 359 GALILEO . ein rein ziviles Satellitennavigationssystem? ...... 360 Globale und referenzwertunabhängige Navigation ........... 362

Inhaltsverzeichnis

12.12 12.12.1 12.12.2 12.12.3 12.13 12.14 12.14.1 12.14.2 12.14.3 12.14.4 12.14.5 12.14.6 12.14.7 12.15 12.16

13

Die sicherheitspolitischen Auswirkungen hoher 362 Treffsicherheit ......................................... 363 Absenkung der Sprengkraft .............................. Die Vermeidung von Kollateralschäden und eigenen Verlusten ...................................... 364 Die Anhebung der Nukiearschwelle ....................... 365 Absicherung der Legitimation berechtigter Interventionen .... 367 Die Bedrohungsambivalenz des GPS ...................... 368 Regionalisierung der Präzisionsverfügbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . 369 Die Bedrohung der USA während der GPS-Konzeptphase .... 370 Bedrohungsänderung. Technologiezuwachs. Rollenänderung . 372 Die Handhabung der GPS-Nutzungsrestriktionen ........... 375 Die Synchronisation von Nutzungsrestriktionen ............ 377 Europas zweiter Schritt in Richtung GPS ................... 380 Die Verschlüsselung von GNSS-Signalen zu 383 militärischen Zwecken .................................. GNSS und Sicherheitspolitik - Zusammenfassung 384 und Ausblick .......................................... Literaturhinweise ...................................... 390

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 Von GPS über Integrierte Navigation zu GALILEO ..........391 Kontroverse Punkte .................................... 392 Künftige Anforderungen an die Navigation .................395 Literaturhinweise ...................................... 397

Schlussbetrachtung 13.1 13.2 13.3 13.4

Liste der verwendeten Abkürzungen

. . . . . . . . . . . . . . . . 399

Internationale Termini technici der Navigation Liste relevanter Naturkonstanten Stic hwortverzeichnis

. . . . . . . . . 411

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419

.............................

421

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